Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i

Innowacyjne środkii efektywne metodypoprawy bezpieczeństwai trwałości obiektów budowlanychi infrastruktury transportowejw strategii

zrównoważonego rozwoju

Łódź, 17-19 listopada 2013

Materiały konferencyjneStreszczenia referatów

1

Innowacyjne środki

i efektywne metody

poprawy bezpieczeństwa

i trwałości obiektów budowlanych

i infrastruktury transportowej

w strategii zrównoważonego rozwoju

Łódź, 17-19 listopada 2013

2

POLITECHNIKA ŁÓDZKAul. Żeromskiego 116, 90-924 Łódź

Biuro Projektu„Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwai trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowejw strategii zrównoważonego rozwoju”

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

EGZEMPLARZ BEZPŁATNY

3

Od Lidera Konsorcjum

Wraz z końcem roku 2013 zakończymy podstawowe prace składające się na realizację projektu Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych w strategii zrównoważonego rozwoju, który, w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka (POIG) realizujemy razem od styczniu 2010 roku.

W ramach tego projektu powstało 47 zespołów tematycznych, które prowadziły prace badawczo-rozwojowe w 8 wyodrębnionych Pakietach Tematycznych (PT). Specjalną rolę w projekcie spełniają dwa pakiety pomocnicze: PT0 Zarządzanie oraz PT9 Promocja i upowszechnianie wyników projektu. Znaczenie tego ostatniego pakietu będzie szczególnie istotne w bieżącej, ostatniej fazie realizacji zadań.

Merytoryczne wyniki Projektu przedstawiane były na dwóch konferencjach naukowych: w dniach 16-18 października 2011 roku oraz 18-20 listopada 2012 roku. Obie konferencje odbyły się w Łodzi. W każdej z nich uczestniczyli przedstawiciele każdego z zespołów realizujących tematy badawcze oraz kierownicy pakietów tematycznych. Gościliśmy na każdej z konferencji przedstawicieli przemysłu – potencjalnego adresata naszych prac.

W trzecim roku realizacji projektu zakończono prace nad 11. tematami badawczymi, kontynuowane są prace nad 36 tematami. Dzięki systematycznej, efektywnej pracy, wykonywanej zgodnie z przyjętymi zasadami organizacyjnymi, realizacja projektu przebiega zgodnie z założonym harmonogramem. Tak jak w latach ubiegłych, wyniki badań były przedstawiane na ważnych konferencjach krajowych i zagranicznych. W ramach projektu ukazały się kolejne, znaczące monografie:

• Modelowanie układu stal-beton w pomiarach szybkości korozji zbrojenia metodą spektroskopii impedancyjnej, Mariusz Jaśniok, Politechnika Śląska

• Badania żelbetowych płyt warstwowych obciążonych doraźnie, cyklicznie i kinematycznie, Krzysztof Gromysz, Politechnika Śląska• Modelowanie uszkodzenia otuliny wywołanego korozją zbrojenia w żelbecie, Tomasz Krykowski, Politechnika Świętokrzyska• Transport i krystalizacja soli w materiałach budowlanych, Marcin Koniorczyk, Politechnika Łódzka.

W minionym roku nastąpiła dalsza poprawa w realizacji wskaźników produktu. Obecnie przedstawia się to następująco (w nawiasach podano wartości docelowe): - liczba pracowników naukowych, realizujących projekt - liczba studentów, zaangażowanych w realizację projektu - liczba doktorantów, zaangażowanych w realizację projektu - liczba bezpośrednio utworzonych nowych etatów (EPC) - liczba współpracujących przedsiębiorstw - wartość zakupionej aparatury naukowo-badawczej - liczba jednostek naukowych objętych wsparciem

Do końca września 2013 roku wydatkowaliśmy kwotę 26 952 204,58 PLN, co stanowi 81,61 % całkowitych kosztów projektu.

Audyt zewnętrzny projektu, przewidziany Rozporządzeniem Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego z 29 września 2011roku (Dz. U. nr 207 poz. 1237) i wyjaśnieniem NCBiR z 3 lutego 2012 roku, został przeprowadzony w I kwartale 2013 roku. Wnioski z audytu przedstawiliśmy wszystkim partnerom konsorcjum. Za wyjątkiem niewielkich uchybień, w większości dotyczących prawidłowości procedur przetargowych, projekt został oceniony pozytywnie. Pozytywną ocenę Audytorów przyjęliśmy z satysfakcją. Zalecenia pokontrolne do Projektu zostały już w dużej mierze zrealizowane.

W niniejszej publikacji, poświęconej rezultatom projektu osiągniętym do września 2013 roku, zachowaliśmy (jak i w publikacji poprzedniej) podział 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 rezultaty Autorzy przedstawią w wystąpieniach konferencyjnych.

To trzecie spotkanie wykonawców projektu ma znaczenie szczególne. Po części jest już częściowym podsumowaniem projektu. Jednak jego ważnym zadaniem będzie przedstawienie i przedyskutowanie tych wszystkich działań, które czekają uczestników projektu po zakończeniu jego części badawczej. W imieniu Rady Konsorcjum i Biura Projektu wyrażamy nadzieję, że to trzecie spotkanie wykonawców projektu posłuży prawidłowemu określeniu zadań związanych z podsumowaniem prac i realizacją działań związanych z wdrażaniem i upowszechnianiem osiągniętych rezultatów. Mamy nadzieję, że współpraca wszystkich jednostek tworzących Konsorcjum będzie się toczyła równie harmonijnie jak poprzednio - również w tej końcowej, nie mniej trudnej fazie realizacji Projektu.

287 (296)78 (88)55 (42)23,79 (16)26 (62)3024 (3 011) tys. PLN10 (10).

Kierownictwo ProjektuMaria Kamińska, Marek Lefik, Adam Szyda

Wstęp

4

Spis treści

PT 1 | Nowoczesne metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności konstrukcji

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

Wzmacnianie żelbetowych płyt przy użyciu taśm CFRP wklejonych w betonową otulinę sposobem biernym i czynnym – badania doświadczalne

Krzysztof Lasek, Renata Kotynia, Marta Przygocka - Politechnika Łódzka

Analiza efektywności wzmocnień zginanych elementów żelbetowych za pomocą wstępnie naprężonych kompozytów CFRPMichał Staśkiewicz, Renata Kotynia, Krzysztof Lasek – Politechnika Łódzka

Analiza efektywności wzmocnień zginanych elementów żelbetowych za pomocą wklejanych biernie taśm i prętów CFRPSzymon Chołostiakow, Renata Kotynia, Marta Przygocka – Politechnika Łódzka

Określenie rezerw bezpieczeństwa strefy przypodporowej słupów wewnętrznych ustrojów płytowo-słupowych po jej zniszczeniu przez przebicie – część III

Włodzimierz Starosolski, Zbigniew Pająk, Barbara Wieczorek, Mirosław Wieczorek – Politechnika Śląska

Metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności żelbetowych konstrukcji zespolonychAdam Zybura, Krzysztof Gromysz, Mariusz Jaśniok – Politechnika Śląska

Poprawa warunków cieplno-wilgotnościowych w zabytkowych budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznejWojciech Terlikowski, Andrzej Marecki – Politechnika Warszawska

Wyjątkowe obciążenie śniegiem w diagnostyce konstrukcjiJerzy Antoni Żurański, Andrzej Sobolewski – Instytut Techniki Budowlanej

Opracowanie metodyki pomiarowo-interpretacyjnej wraz z programem wdrażaniaJanusz Kawecki, Krzysztof Stypuła - Politechnika Krakowska

Nośność i stan wytężenia osiowo ściskanych słupów betonowych w płaszczu kompozytowymPiotr Korzeniowski, Marcin Abramski – Politechnika Gdańska

Nośność i stan wytężenia płyt betonowych zbrojonych prętami z włókien węglowychPiotr Korzeniowski, Marcin Abramski, Marek Wesołowski – Politechnika Gdańska

Badania doświadczalne przyczepności prętów kompozytowych GFRP oraz BFRP do betonuPaweł Olbryk, Piotr Szymczak, Szymon Chołostiakow – Politechnika Łódzka

Skuteczność strzemion kompozytowych jako zbrojenia na ścinaniePiotr Szymczak, Paweł Olbryk, Szymon Chołostiakow – Politechnika Łódzka

Zastosowanie modelu połączonego MES do symulacji lokalizacji odkształceń i rys w betonieJerzy Bobiński, Jacek Tejchaman – Politechnika Gdańska

Deterministyczno-statystyczny efekt skali w belkach betonowych zginanychEwelina Korol, Jacek Tejchman – Politechnika Gdańska

Dyskretne modelowanie betonu na poziomie kruszywaMichał Nitka, Jacek Tejchman, Jan Kozicki – Politechnika Gdańska

Makroskopowe modelowanie betonu w obszarze dynamicznymIreneusz Marzec, Jacek Tejchman – Politechnika Gdańska

Badanie wpływu mikrostruktury betonu na proces pękania podczas trzy-punktowego zginaniaŁukasz Skarżyński, Jacek Tejchman - Politechnika Gdańska

Diagnostyka ultradźwiękowa z zastosowaniem intermodulacji drganiami niskiej częstotliwości. Badania parametryczne.Błażej Meronk, Krzysztof Wilde – Politechnika Gdańska

Monitoring ultradźwiękowy stref mikropęknięć w elementach betonowychMagdalena Rucka, Krzysztof Wilde – Politechnika Gdańska

Diagnostyka ultradźwiękowa zginanych elementów betonowychMagdalena Rucka, Krzysztof Wilde, Aleksandra Mariak – Politechnika Gdańskaska

Symulacje propagacji fal w belce betonowej zbrojonej z prostym opisem degradacjiStanisław Burzyński, Jacek Chróścielewski, Wojciech Witkowski – Politechnika Gdańska

Od Lidera KonsorcjumO projekcie

9

23

37

11

25

12

27

13

29

15

31

17

33

19

35

21

37

39

41

43

45

47

Spis treści

5

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

PT 4 | Recycling 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 lądowej, kształtowanie infrastruktury transportowej z uwzględnieniem strategii zrównoważonego rozwoju

Chemo-higro-termo-mechaniczny model do analizy stanu konstrukcji betonowych w różnych warunkach środowiska zewnętrznego

Dariusz Gawin, Marcin Koniorczyk, Arkadiusz Witek, Witold Grymin, Marek Jabłoński – Politechnika Łódzka

E-monitoring elementów konstrukcji w fazie ich wykonania i eksploatacjiRadosław Walendziak, Bogdan Czkwianianc – Politechnika Łódzka

Mechaniczno-chemiczny model degradacji żelbetu w warunkach agresywnychAdam Zybura, Tomasz Krykowski, Tomasz Jaśniok, Barbara Słomka-Słupik, Zofia Szweda, Mariusz Jaśniok – Politechnika Śląska

Integracja pakietów adaptacyjnych na przykładzie bibliotek MAdLib i GetFEM++ Anna Perduta - Politechnika Krakowska

Implementacja programu do modelowania belek żelbetowych w warunkach pożarowychSzymon Saręga, Roman Putanowicz, Anna Stankiewicz, Adam Wosatko – Politechnika Krakowska

Trwałość mrozowa samozagęszczalnego betonu zbrojonego włóknami stalowymiJerzy Wawrzeńczyk, Agnieszka Molendowska, Adam Kłak – Politechnika Świętokrzyska

Dwuskalowe modelowanie reakcji alkalia-krzemionka w betonieWitold Grymin, Dariusz Gawin, Marcin Koniorczyk – Politechnika Łódzka

Termo-hydro-mechaniczny model mrozowej degradacja betonów drogowychMarcin Koniorczyk, Piotr Konca, Dariusz Gawin, Witold Grymin, Marek Jabłoński, Alicja Marciniak – Politechnika Łódzka

Betony konstrukcyjne na kruszywach z recyklingu – badania doraźne i długotrwałe elementów żelbetowychAlina Kliszczewicz – Politechnika Śląska

Stan prawny gospodarki odpadami budowlanymi w Polsce i w EuropieRafał Uliniarz – Politechnika Śląska

Wpływ właściwości betonów na kruszywach z recyklingu na kontrolę stanów granicznychGrzegorz Wandzik – Politechnika Śląska

Trwałość mieszanek mineralno-cementowo-emulsyjnych w nawierzchniach drogowychAntoni Szydło, Łukasz Skotnicki, Jarosław Kuźniewski – Politechnika Wrocławska

Recykling na zimno konstrukcji nawierzchni drogi z zastosowaniem technologii asfaltu spienionegoMarek Iwański, Anna Chomicz-Kowalska, Przemysław Buczyński – Politechnika Świętokrzyska

Propozycja wytycznych krajowych klasyfikowania elementów z rozbiórek do powtórnego zastosowaniaJanusz Brol, Katarzyna Adamczyk, Szymon Dawczyński – Politechnika Śląska

Badania długotrwałe prefabrykowanych płyt betonowych zbrojonych silnymi siatkami tekstylnymiBernard Kotala, Marek Węglorz – Politechnika Śląska

Beton o dużej zawartości piasku jako alternatywa betonu zwykłegoDawid Moszczyński, Artem Czkwianianc – Politechnika Łódzka

Normowanie procedur wentylacyjnego wsparcia działań ratowniczych dla potrzeb ewakuacji ludzi z budynkuIreneusz Naworol, Stanisław Lipiński, Aleksander Adamski, Andrzej Marciniak – Szkoła Główna Służby Pożarniczej

Komputerowe wspomaganie projektowania z uwagi na warunki pożarowe wg EN 1991-1-2, EN 1992-1-2, EN 1995-1-2Grzegorz Woźniak, Piotr Turkowski – Instytut Techniki Budowlanej

Zasady stosowania inżynierii bezpieczeństwa pożarowego do projektowania systemów wentylacji pożarowej tuneli drogowychGrzegorz Krajewski, Wojciech Węgrzyński – Instytut Techniki Budowlanej

Narzędzie ekspertowe w ocenie nośności murowanych konstrukcji mostowych z uszkodzeniamiTomasz Kamiński, Jan Bień – Politechnika Wrocławska

Analiza i ocena stanu przewodów kanalizacyjnych z użyciem systemu wspomagania decyzji OSP1Bogdan Przybyła – Politechnika Wrocławska

49

63

80

84

51

65

81

86

53

66

82

57

55

68

58

70

60

72

61

74

76

Spis treści

6

Badania transportowej infrastruktury podziemnej z wykorzystaniem technik 3DTomasz Abel, Beata Nienartowicz, Cezary Madryas – Politechnika Wrocławska

Diagnostyka nawierzchni drogowych i lotniskowych z wykorzystaniem zaawansowanych badań dynamicznychAntoni Szydło, Bartłomiej Krawczyk, Piotr Mackiewicz – Politechnika Wrocławska

Weryfikacja metody IADP na żelbetowych wieloprzęsłowych obiektach mostowychWiesław Trąmpczyński, Barbara Goszczyńska, Grzegorz Świt – Politechnika Świętokrzyska

Sieci neuronowe typu IAC i BP jako narzędzia oceny składowisk i analizy ich wpływu na środowiskoPaulina Rudnicka, Marcin Krasiński, Marek Lefik – Politechnika Łódzka

Wspomaganie wyboru optymalnej metody modyfikacji parametrów podłoża gruntownego za pomocą sieci IACMarcin Krasiński, Patrycja Baryła, Marek Lefik – Politechnika Łódzka

87

88

90

92

94

PT 7 | Oszczędność energii i problemy zrównoważonego rozwoju w budownictwie

PT 8 | Użytkowanie i ochrona środowiska w strategii zrównoważonego rozwoju

Metody komputerowej optymalizacji projektowania budynków przyjaznych dla środowiska z wykorzystaniem oceny LCAArkadiusz Węglarz – Politechnika Warszawska

Metoda oceny budynków użyteczności publicznej z pasywnymi systemami wykorzystania energii słonecznej pod kątem oszczędności energii oraz komfortu cieplnego i wizualnego ludzi – etap 3

Henryk Nowak, Łukasz Nowak, Elżbieta Śliwińska – Politechnika Wrocławska

Narzędzie użytkowe symulacji funkcjonowania i wymiarowania słonecznych systemów grzewczychDorota Chwieduk, Jerzy Kuta, Jarosław Bigorajski (student), Michał Chwieduk (student) - Politechnika Warszawska

Wybrane zagadnienia wpływu temperatury na konstrukcję hal energoaktywnychKarolina Brzezińska, Zbigniew Kowal, Karolina Otwinowska, Rafał Piotrowski, Monika Siedlecka, Andrzej Szychowski – Politechnika Świętokrzyska

Weryfikacja modelu matematycznego procesów fizykalnych w przestrzeni poddasza wentylowanegoJerzy Piotrowski, Anatoliy Stroy, Marianna Olenets – Politechnika Świętokrzyska

Możliwości ograniczenia ładunków zanieczyszczeń, kierowanych do środowiska przez przelewy burzowe kanalizacji ogólnospławnej

Agnieszka Brzezińska, Dawid Bandzierz – Politechnika Łódzka

Zanieczyszczenie ścieków opadowych jako istotne kryterium ich zagospodarowaniaGrażyna Sakson, Ewa Badowska – Politechnika Łódzka

Wyniki modelowania odpływu ścieków opadowych z terenów zurbanizowanych na przykładzie ŁodziMarek Zawilski – Politechnika Łódzka

Badania i modelowanie składu ścieków opadowych z terenu ŁodziMarek Zawilski, Błażej Dziedziela – Politechnika Łódzka

Właściwości wytrzymałościowe piasków hydrofobizowanych emulsjami alkoksysilanowymiPatrycja Baryła, Marek Wojciechowski, Marek Lefik – Politechnika Łódzka

Projektowanie i kontrola średnic kolumn na potrzeby wykonania barier przeciwfiltracyjnych wykonywanych w technologii iniekcji strumieniowej

Łukasz Mielczarek, Marek Lefik – Politechnika Łódzka

Zastosowanie wybranych procesów fotochemicznych do oczyszczania szarej wodyDorota Gryglik, Andrzej Jodłowski – Politechnika Łódzka

Ocena możliwości powtórnego wykorzystania szarej wody w gospodarstwie domowymAndrzej Jodłowski, Maciej Dobrzański – Politechnika Łódzka

Charakterystyka filtracji wody szarej na filtrach polipropylenowychJarosław Mucha – Politechnika Łódzka

Działanie i sprawność separatorów wirowychJerzy M. Sawicki, Piotr Zima – Politechnika Gdańska

Wpływ wymiany jonowej w iłach naturalnych na sorpcję rozpuszczalników organicznychTomasz Kozłowski, Lidia Dąbek, Ewa Ozimina – Politechnika Świętokrzyska

96

103

97

105

99

106

100

108

101

109

111

113

114

116

118

110

Spis treści

7

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 programów badań naukowych i prac rozwojowych Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka na lata 2007-2013 (Poddziałanie 1.1.2. POIG).

Projekt współfinansowany jest przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. Realizacja projektu rozpoczęła się 01.01.2010 r. a zakończenie przewidywane jest na 31.03.2014 r. Całkowita wartość projektu wynosi 33.749.765,84 zł, a wartość dofinansowania z Unii Europejskiej to 33.025.437,57 zł.

CeleCelem ogólnym projektu jest wsparcie działalności naukowej na potrzeby przedsiębiorców, przez podaż najnowocześniejszych rozwiązań

technologicznych dla gospodarki. Strategiczny cel projektu zostanie osiągnięty poprzez przeprowadzenie 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 zdegradowanych.

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 naukowe, które zgodnie z Krajowym Programem Badań Naukowych i Prac Rozwojowych (KPBNiPR) mają największy wpływ na szybki rozwój cywilizacyjno-gospodarczy kraju i budowę gospodarki opartej na wiedzy. Oznacza to, że 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 spełnia 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 (inżynierskich) i doktorskich.

Zakres projektuPlanowane 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 międzynarodowe 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 zrównoważonemu 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 rozwoju cywilizacyjno-gospodarczego kraju, w szczególności zdynamizowanie zrównoważonego rozwoju gospodarczego, rozwoju budownictwa mieszkalnego, użyteczności publicznej i infrastruktury sieciowej i drogowej dla poprawy jakości życia polskiego społeczeństwa.

O projekcie

8

Pakiety tematycznePrace 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 zrównoważonego 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 lądowej, 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.

RezultatyOczekiwane 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).

KonsorcjumProjekt 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

9

Wzmacnianie żelbetowych płyt przy użyciu taśm CFRP wklejonych w betonową otulinę sposobem biernym

i czynnym – badania doświadczalne

Krzysztof Lasek Politechnika Łódzka Łódź, Polska [email protected]

Renata KotyniaPolitechnika Łódzka Łódź, Polska [email protected]

Marta PrzygockaPolitechnika Łódzka Łódź, Polska [email protected]

Słowa kluczowe: taśmy CFRP, wzmocnienie na zginanie

1. Opis i cel badańBadania obejmowały żelbetowe płyty wzmocnione na zginanie taśmami węglowymi CFRP wklejonymi w betonową otulinę. Kompozyty

wklejono sposobem biernym i czynnym. Zbadano dwa pełnowymiarowe elementy o symbolach NSM12 oraz NSM16 o rozpiętości między podporami 6000 mm oraz wymiarach przekroju poprzecznego 500 mm szerokości i 220 mm wysokości (Rys. 1). Elementy zróżnicowane były stopniem zbrojenia stalowego. Płyta NSM12 zbrojona była czterema prętami o średnicy 12 mm w strefie rozciąganej (ρs=0.49%), natomiast płyta NSM16 taką samą liczbą prętów o średnicy 16 mm (ρs=0.87%) (Rys. 2). Oba elementy wzmocniono w taki sam sposób trzema taśmami o przekroju poprzecznym 2.5 x 15 mm2 w odstępach 150 mm. W betonowej otulinie wycięto trzy bruzdy o szerokości 6 mm oraz głębokości 19 mm. Środkową taśmę naprężono do uzyskania odkształceń w taśmie wynoszących 6‰, natomiast dwie po bokach wklejono biernie. Wzmocnienie belek odbywało się na stanowisku badawczym pod obciążeniem ciężarem własnym elementów.

Elementy obciążano czterema siłami skupionymi w rozstawie 1200 mm (Rys. 1). W celu równomiernego rozłożenia obciążenia płyt na szerokości siły przekazywane były poprzez stalowe trawersy o długości równej szerokości elementów, co odzwierciedla rzeczywistą pracę konstrukcji. Celem badań była analiza wpływu stopnia zbrojenia stalowego na efektywność wzmocnienia przy użyciu wklejonych taśm kompozytowych CFRP w bruzdy wycięte w betonowej otulinie. Ponadto poddano weryfikacji prawidłowość działania systemu do naprężania taśm kompozytowych w technice NSM. 2.

Rys. 1. Schemat statyczny elementów NSM12 i NSM16.

Rys. 2. Przekroje poprzeczne elementów NSM12 i NSM16


10

2. Wyniki badańPierwsze zarysowanie pojawiało się w strefie maksymalnego momentu. Pionowe rysy powstające w strefie rozciąganej, wraz ze wzrostem

obciążenia poszerzały się oraz postępowały w kierunku strefy ściskanej, czemu towarzyszyło powstawanie nowych. Element NSM12 zniszczył się poprzez zerwanie taśm kompozytowych. W elemencie NSM16, oprócz zerwania taśm CFRP, nastąpiło zmiażdżenie betonu w strefie ściskanej. Nie zaobserwowano poślizgu taśmy ani jej odspojenia. Oznacza to, że uzyskano pełną przyczepność kompozytu, kleju oraz betonu. Odkształcenia taśm kompozytowych zostały w pełni wykorzystane zarówno w przypadku taśm wklejonych czynnie jak i biernie. Uzyskano duży stopień wzmocnienia badanych płyt, co dowodzi dużą efektywność wzmocnień przy użyciu tej metody (Tab. 1).

3. WnioskiNa postawie analizy wyników badań belek wzmocnionych na zginanie przy użyciu techniki NSM naprężoną taśmą CFRP można wysunąć

następujące wnioski:• badania wykazały wysoką efektywność wzmocnienia żelbetowych płyt wzmocnionych techniką NSM w sposób czynny wahającą się od 60

do 140% nośności elementu niewzmocnionego; • efektywność wzmocnienia maleje wraz ze wzrostem zbrojenia stalowego; technika NSM pozwala na wykorzystanie w pełni wytrzymałości

na rozciąganie materiału kompozytowego FRP; • wzmocnienie zginanych elementów żelbetowych przy użyciu techniki NSM naprężonymi taśmami CFRP jest bardzo skuteczne w stanie

granicznym nośności jak i użytkowalności. Pozwala zredukować istniejące ugięcie i szerokość rozwarcia rys.

Literatura[1] KOTYNIA R., “Analysis of the flexural response of NSM FRP-strengthened concrete beams”, Proceeding of the eight international conference on

fibre-reinforced plastics for reinforced concrete structures (FRPRSCS-8), Patras, Grecja, 2007.[2] Gaafar M. A., El-Hacha R., “Strengthening reinforced concrete beams with prestressed near surface mounted FRP strips”, Proceeding of Fourth

International Conference on FRP Composites in Civil Engineering (CICE2008), Zurich, Szwajcaria, 2008

Rys. 3. Moment zginający – krzywizna elementów NSM 12 oraz NSM16.

Tab. 1. Tabelaryczne zestawienie wyników badań elementów NSM12 i NSM16.


11

Analiza efektywności wzmocnień zginanych elementów żelbetowych za pomocą wstępnie naprężonych

kompozytów CFRP

Michał StaśkiewiczPolitechnika Łódzka Łódź, Polska [email protected]


Krzysztof LasekPolitechnika Łódzka Łódź, Polska [email protected]

Słowa kluczowe: naprężanie, kompozyt CFRP, zginanie, efektywność

StreszczenieTematem pracy jest zagadnienie wzmacniania elementów żelbetowych na zginanie przy użyciu naprężonych kompozytów z włóknami

węglowymi CFRP. W artykule przedstawione zostały znane techniki aplikacji naprężonych kompozytów oraz zasadnicze problemy związane z technologią wzmacniania i sposobami zakotwień. W celu przeprowadzenia szczegółowej analizy stanu wiedzy zawartego w dostępnej literaturze, autorzy opracowali bazę danych badań doświadczalnych, zawierającą informacje na temat charakterystyk badanych elementów oraz wyników badań nośności na zginanie. Na podstawie zestawienia omówiono mechanizmy zniszczenia wzmocnionych elementów oraz przeprowadzono analizę efektywności wzmocnienia w zależności od wybranych parametrów zmiennych. Podstawowym celem analizy było określenie wpływu wybranych parametrów, takich jak: stopnia zbrojenia stalowego, stopnia zbrojenia kompozytowego oraz poziomu wstępnego naprężenia taśmy na stopień wzmocnienia elementu zarówno w stanie granicznym nośności, jaki i użytkowalności.

Przedstawiona w pracy analiza potwierdziła wysoką skuteczność wzmacniania żelbetowych elementów na zginanie przy użyciu wstępnie naprężonych kompozytów CFRP. Przyrost nośności wzmocnionych elementów w porównaniu do elementów referencyjnych wynosił od 35% do nawet 235%. Wyniki badań przywołane w pracy wykazały znaczący wpływ stopnia zbrojenia stalowego na efektywność wzmocnienia, która spada wraz ze wzrostem ilości zbrojenia. Zaobserwowano również pozytywny wpływ wzrostu poziomu wstępnego naprężenia kompozytu CFRP na efektywność wzmocnienia. Parametr ten nie ma jednak wpływu na nośność elementów wzmocnionych skutecznie kotwionymi taśmami/matami, w których o zniszczeniu decyduje wytrzymałość zbrojenia kompozytowego na rozciąganie. Poziom wstępnego naprężania kompozytu bardzo korzystnie wpływa na pracę wzmocnionego elementu w stanie granicznym użytkowalności, czego dowodem jest wzrost obciążeń rysujących o nawet 337% w efekcie wzmocnienia. Wyniki badań jednoznacznie potwierdzają bardzo wysoką skuteczność wzmocnień czynnych przy użyciu kompozytów CFRP, również przy silnym wytężeniu elementu przed wzmocnieniem.

Literatura[1] ŁAGODA M., „Wzmacnianie konstrukcji mostowych kompozytami wstępnie sprężonymi”, Proceedings of 2012 Konferencja Naukowo-

Techniczna Konstrukcje Sprężone, 2012, Kraków, CD-ROM.[2] KAŁUŻA M., AJDUKIEWICZ A., „Przegląd metod zewnętrznego sprężania żelbetowych elementów materiałami kompozytowymi w aspekcie

efektywności czynnego wzmocnienia” Konferencja Naukowo-Techniczna Konstrukcje Sprężone, Kraków, marzec 2012.[3] SIWOWSKI T., ŻÓŁTOWSKI P., ADAMEK-MISIOŁEK A., “The application of prestressed CFRP strip for bridge strengthening”, Proceedings

of CECOM 2012, 2012, Kraków, CC-ROM.[4] KOTYNIA R., WALENDZIAK R., STOECKLIN I., MEIER U., “RC Slabs Strengthened with Prestressed and Gradually Anchored CFRP Strips

under Monotonic and Cycling Loading”, Journal of Composites for Constructions, Vol. 15, 2011, pp. 168-180.[5] KOTYNIA R., LASEK K., STAŚKIEWICZ M., “Flexural behaviour of preloaded RC beams strengthened with prestressed CFRP laminates”,

Journal of Composites for Constructions, 2013, w recenzji.


12

Analiza efektywności wzmocnień zginanych elementów żelbetowych za pomocą wklejanych biernie taśm

i prętów CFRP

Szymon ChołostiakowPolitechnika Łódzka Łódź, Polska [email protected]


Marta PrzygockaPolitechnika Łódzka Łódź, Polska [email protected]

Słowa kluczowe: NSMR, FRP, wzmocnienie na zginanie, skuteczność wzmocnienia, ICD

1. WprowadzenieWzmacnianie elementów żelbetowych kompozytowymi profilami, jest coraz szerzej stosowaną techniką poprawiającą nośność i użytkowalność

konstrukcji żelbetowych. Metoda Near Surface Mounted (NSMR) polega na wklejeniu w wykonaną w betonowej otulinie bruzdę prętów lub taśm (rys.1.) z włóknami szklanymi (GFRP) lub węglowymi (CFRP). Przedstawiona analiza skuteczności wzmocnienia oparta jest na zebranym stanie wiedzy z zakresu wzmocnień NSMR i odnosi się do wpływu stopnia zbrojenia stalowego, kompozytowego a także geometrii profili FRP. Pod uwagę wzięto jedynie wyniki badań, gdzie wklejony kompozyt osiągał najwyższe odkształcenie, a sposobem zniszczenia było odspojenie materiału FRP wraz z betonową otuliną (ICD). Przedstawiona analiza skupiona była na wpływie ilości zbrojenia kompozytowego i sztywności na nośność elementów i odkształcalność kompozytu dla różnego stopnia zbrojenia stalowego. Analizę wzbogacono o parametr opisujący stosunek pola do głębokości wklejenia kompozytu Af/bf oraz Cf/Af , gdzie Cf jest obwodem kompozytu FRP. Stopień wzmocnienia materiału kompozytowego ηf = (Fu-F0)/F0, gdzie Fu i F0 oznaczają maksymalną siłę odpowiednio na elemencie wzmocnionym i referencyjnym.

2. WnioskiWyniki sprowadzono do następujących wniosków: • Belki wzmocnione większą ilością kompozytu wykazują wzrost stopnia wzmocnienia ηf, przy podobnych stopniach zbrojenia stalowego.• Skuteczność wzmocnienia rośnie wraz ze spadkiem stopnia zbrojenia stalowego. • Najbardziej efektywnym obszarem dla wzmocnienia są elementy o stopniu zbrojenia od 0,38% do 0,71%, i o stopniu zbrojenia

kompozytowego z zakresu 0,07% do 0,15%. • Elementy badawcze zniszczone przez odspojenie kompozytu odspajały się przy odkształceniach od 1,2% do 1,4%. • Wyniki badań elementów wykazały wzrost odkształceń w kompozycie, wraz ze spadkiem współczynnika Af/bf, co prowadziło do większego

wykorzystania materiału kompozytowego. • Współczynnik Cf/Af opisujący stosunek obwodu do pola przekroju kompozytu waha się od 0,51 do 1,71 dla prostokątnych taśm i od 0,31

do 0,40 dla prętów kompozytowych. 3. Bibliografia[1] BARROS J. A. O., DIAS S. J. E., LIMA J. L. T., Efficacy of CFRP-based techniques for flexural and shear strengthening of concrete beams, Journal

of Cement & Concrete Composites, Vol. 29, 2007, pp. 203-217.[2] KOTYNIA R., Analysis of the flexural response of NSM FRP-strengthened concrete beams, Proceeding of the eight international conference on

fibre-reinforced plastics for reinforced concrete structures (FRPRSCS-8), Patras, Greece, 2007.

beton

Rys. 1. Geometria kompozytów stosowanych w systeme NSM.


13

Określenie rezerw bezpieczeństwa strefy przypodporowej słupów wewnętrznych ustrojów płytowo-słupowych

po jej zniszczeniu przez przebicie – część III

Włodzimierz StarosolskiPolitechnika Śląska Gliwice, Poland [email protected]

Zbigniew PająkPolitechnika Śląska Gliwice, Poland [email protected]

Barbara WieczorekPolitechnika Śląska Gliwice, Poland [email protected]

Mirosław WieczorekPolitechnika Śląska Gliwice, Poland [email protected]

Słowa kluczowe: konstrukcje żelbetonowe, wzmocnienie konstrukcji, katastrofa postępująca

1. InspiracjaAnaliza 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 znormalizowanych. Jednakże w sytuacji, gdy jednak nastąpiło zniszczenie przez przebicie konieczne jest, aby konstrukcja ustroju nie dopuściła do rozwoju katastrofy. Celem umożliwienia opracowania procedur obliczeniowych umożliwiających prawidłową ocenę wartości zapasów nośności strefy podporowej po zniszczeniu przez przebicie, przeprowadzone zostały badania żelbetowych modeli połączenia płyta-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

2. RealizacjaBadania objęły trzy modele stanowiące fragment przysłupowej wewnętrznej strefy typowego monolitycznego ustroju płytowo-słupowego

o wymiarach 2,65×2,65 m grubości 20 cm z usytuowanym od dołu słupem, 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). Elementy badawcze charakteryzowały się zbliżoną wytrzymałością betonu oraz jednakowym stopniem zbrojenia dolnego i górnego. 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 (εuk>7) wg EC 2 o średnicy ϕ16 mm. Obciążenie modeli realizowano poprzez przyłożenie do podstawy słupa siły skupionej wywoływanej siłownikiem hydraulicznym zgodnie ze schematem przedstawionym na rys.1.

Program badań obejmował dwie fazy, w których modele były obciążane zgodnie ze schematem przedstawionym na rys.1. W pierwszej fazie wykonano dwa cykle obciążenia – pierwszy polegający na wstępnym obciążeniu i odciążeniu modelu oraz drugi, w którym model był obciążany aż do zniszczenia przez przebicie, wówczas nastąpił spadek wartości siły obciążającej. Następnie w drugiej fazie 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. Następnie kontynuowano obciążenie modeli, które trwało aż do zerwania kolejnych dolnych prętów krzyżujących się nad słupem

3. RezultatyNa wykresie (rys.2) zestawiono wspólnie wyniki badań modeli z odkręconymi i nieodkręconymi śrubami, co pozwala zaobserwować istotną

różnicę w zachowaniu się połączenia płyta-słup modeli A i modeli B po przebiciu.

Rys. 1. Schemat statyczny badania – modele I, modele II, modele III


14

W pierwszej fazie do przebicia zachowanie się wszystkich modeli było prawie identyczne. Przebicie nastąpiło przy sile 600 ÷ 650 kN. Następnie odnotowano spadek wartości siły obciążającej do ok. 200 kN. W drugiej fazie po przebiciu zachowanie się poszczególnych modeli było uzależnione od przyjętego wariantu badawczego. Dodatkowo na wartość sił obciążających, przy których następowało zerwanie pierwszego z prętów przechodzących nad słupem w poszczególnych modelach istotny wpływ mało usytuowanie słupa względem płyty. Przebieg zależności przemieszczenie–siła uzyskany z badań wskazuje, że zniszczenie modeli typu B następowało przy przemieszczeniu słupa prawie trzykrotnie większym niż modeli typu A, przy czym większą siłę zrywającą uzyskano w modelach typu A niż modelach typu B.

4. Porównanie wynikówNośność strefy podporowej po przebiciu w modelach z nieodkręconymi śrubami (model A) była większa niż w modelach z odkręconymi

śrubami (model B) o co najmniej 20%. Największą wartość siły zrywającej pręty dolne uzyskano w modelu ze słupem usytuowanym osiowo, zarówno w przypadku modeli typu A, jak i modeli typu B. Wprowadzenie mimośrodowego położenia słupa względem środka płyty spowodowało obniżenie nośności strefy podporowej po przebiciu o ok. 10% 15%.

Obliczone wg normy CSA A23.3-04 [1] i rekomendacji do normy amerykańskiej ACI 318 [Błąd! Nie można odnaleźć źródła odwołania.] wartości nośności strefy przypodporowej po przebiciu Fcal były we wszystkich przypadkach większe od wartości uzyskanych w badaniach modeli typu B. W modelu ze słupem usytuowanym osiowo maksymalna siła uzyskana podczas badań po zwolnieniem śrub stanowiła 97,3% wartości Fcal. Dla modeli z usytuowaniem słupa na mimośrodzie w jednym i w dwóch kierunkach uzyskano odpowiednio wartości 84,5% i 83,4% wykorzystania siły Fcal.

5. PodsumowanieBadania zniszczenia strefy podporowej ustrojów płytowo-słupowych były prowadzone w dwóch wariantach: • wariant optymistyczny (wariant A) – przy którym można założyć, że po przebiciu w strefie przypodporowej beton ma wymierną wartość

wytrzymałości, więc znajdujące się blisko słupa zbrojenie, jak i otaczający go beton (pomimo znacznego pokruszenia) współpracują w przenoszeniu obciążenia.

• wariant pesymistyczny (wariant B), przy którym można założyć, że w strefie przypodporowej beton ma bardzo małą wytrzymałość i całość obciążeń muszą przenieść wyłącznie dolne wkładki zbrojeniowe.

We wszystkich przypadkach stwierdzono, że zerwanie pierwszego pręta dolnego nastąpiło przy znacznej wartości wydłużenia wahającej się w granicach od 8% do 15%. Tak znaczne wydłużenia stali zbrojeniowej są jedynie możliwe i gwarantowane przy stosowaniu wyłącznie stali klasy C wg PN-EN 1992-1-1:2008. Jednocześnie z przedstawionych badań wynika, że przejście od wariantu optymistycznego do pesymistycznego powoduje degradację nośności strefy podporowej o ok. 20 26%. Warto wskazać, że przedstawione wyniki badań w wariancie optymistycznym pokrywają się z dotychczasowymi zaleceniami norm CSA A23.3 i ACI 318, lecz w przypadku pesymistycznym (zdaniem autorów bardziej właściwym przy projektowaniu) dają zdecydowanie niższe wartości nośności strefy podporowej.

Literatura[1] CSA Standard A23.3-04, Canadian Standard Association, 2004.[2] ACI ACI-ASCE Committe 352.: Recommendations for Design of Slab-Column Connections in Monolithic Reinforced Concrete Structures.

ACI Structural Journal, November-December 1988

Rys. 2. Zestawienie zmian przemieszczeń słupa w funkcji obciążeniado momentu zerwania pierwszego pręta dolnego (modele typu A i B)

Tab. 1. Zestawienie wpływu mimośrodu obciążeniana maksymalne wartości sił uzyskanych po przebiciu


15

Metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności żelbetonowych konstrukcji zespolonych

Adam ZyburaPolitechnika Śląska Gliwice, Poland [email protected]

Krzysztof GromyszPolitechnika Śląska Gliwice, Poland [email protected]

Mariusz JaśniokPolitechnika Śląska Gliwice, Poland [email protected]

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

1. Wprowadzenie i zakres badańŻelbetowe płyty warstwowe składające się z elementu prefabrykowanego i układanego na budowie betonu uzupełniającego są powszechnie

stosowanym rozwiązaniem konstrukcyjnym. O jego atrakcyjności decydują brak konieczności deskowania, szybkość montażu i uzyskiwanie dolnej powierzchni stropu niewymagającej tynkowania. O bezpieczeństwie tych konstrukcji decyduje głównie zdolność przenoszenia naprężeń stycznych w zespoleniu dwóch betonów oraz korozyjny stanu zbrojenia [1]. Zdolność przenoszenia naprężeń stycznych może być oceniana na podstawie sztywności zespolenia dwóch warstw betonu oraz energii rozpraszanej przez to zespolenie. Natomiast stan zagrożenia korozją stalowego zbrojenia można określać na podstawie elektrochemicznych pomiarów szybkości korozji. Ocena korozyjnego stanu zbrojenia będzie zatem polegała głównie na analizie wyników badań polaryzacyjnych przeprowadzonych metodą elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej, według opracowanego elektrycznego modelu układu stal–beton.

Zakończenie opisanych prac umożliwi osiągnięcie celu, jakim jest opracowanie wytycznych pozwalających na ocenę bezpieczeństwa i użytkowalności istniejących żelbetowych konstrukcji zespolonych ze względu na zdolność przenoszenia naprężeń stycznych w zespoleniu oraz stopień zaawansowania korozji zbrojenia.

2. Przebieg pracW ramach części dotyczącej oceny zdolności przenoszenia naprężeń stycznych w zespoleniu przeprowadzono prace o charakterze

doświadczalnym, które zrelacjonowano w [2]. Ponadto przeprowadzono syntezę dotyczącą ogółu zagadnień dotyczących konstrukcji zespolonych zamieszczoną w [1]. Z syntezy tej wynika, że normy nie uwzględniają wpływu zakotwienia zbrojenia przęsłowego w podporze na nośność płyt oraz przeceniają wpływ zbrojenia pionowego w zespoleniu na tę nośność. Z syntezy wynika również, że założony w normie Eurokod 2 brak przemieszczeń warstwy górnej względem dolnej występuje w płytach zespolonych tylko w szczególnym przypadku powierzchni zespolenia, ukształtowanej w postaci wrębów oraz powierzchni, na której nie wydzieliło się mleczko cementowe. W pozostałych przypadkach występuje przemieszczenie w zespoleniu, które zmniejsza sztywność płyt warstwowych w porównaniu z płytami monolitycznymi. Nośność takich płyt zostaje wyczerpana wskutek przemieszczeń w zespoleniu i towarzyszącej utracie nośności zakotwienia zbrojenia przęsłowego w podporze. Utrata nośności zbrojenia zakotwionego w podporze następowała nawet w przypadku spełnienia odpowiednich wymagań konstrukcyjnych.

Przeprowadzona synteza wskazuje także, iż występowanie przemieszczeń warstwy górnej względem dolnej sprawia, że płyta zespolona nie zachowuje się w sposób liniowy. Stosowane w praktyce inżynierskiej podstawowe nieliniowe modele ciał nie opisują wystarczająco dokładnie odkształceń płyt warstwowych, poddanych zarówno obciążeniom statycznym, jak i dynamicznym wymuszeniom kinematycznym.

W celu odwzorowania zjawisk zachodzących w płytach obciążanych statycznie przyjęto, że składają się one z trzech warstw: dolnej, górnej i kontaktowej. Na podstawie tego założenia, zbudowano model płyty o jednym stopniu swobody, którego parametry sprężyste i niesprężyste wyznaczano korzystając z wyników badań doświadczalnych sześciu płyt. W szczególności estymowano wartości nieliniowych parametrów opisujących warstwę kontaktową, co opisano w [3].

W ramach części zadania dotyczącej diagnostyki korozyjnej żelbetu zakończono realizację trzeciego – ostatniego kamienia milowego, którego celem było m.in. opracowanie metodyki oceny stanu żelbetowych konstrukcji zespolonych na podstawie badań szybkości korozji zbrojenia [4, 5]. Sposób przeprowadzenia oceny w oparciu o autorski trójwymiarowy modelu układu ‘stal–beton’ opublikowano w monografii [7].

Model 3D odwzorowuje właściwości elektrochemiczne niejednorodnej struktury betonu i dodatkowo przestrzenny rozkład prądów polaryzacji pomiędzy płaską powierzchnią przeciwelektrody a walcową powierzchnią elektrody badanej. Ponadto opisuje zbliżoną do występującej w konstrukcji żelbetowej złożoną geometrię trójelektrodowego układu pomiarowego. Modelowany układ składa się z elektrody badanej w kształcie długiej wkładki zbrojeniowej osadzonej w betonie, na którego powierzchni umieszczono prostokątną przeciwelektrodę ze stali nierdzewnej wraz z elektrodą odniesienia. Charakterystyczną cechą modelu 3D jest elastyczne podążanie siatki węzłów betonowych elementów bryłowych i stalowych elementów powierzchniowych za zmianą geometrii układu pręt zbrojeniowy–beton–przeciwelektroda. Najistotniejszymi parametrami modelu są współczynniki geometrii stali i betonu, dzięki którym jest możliwa symulacja wpływu zmian geometrii badanego układu na kształty widm impedancyjnych stali w betonie. Współczynniki geometrii charakteryzują teoretyczne ścieżki przewodzenia prądu wyznaczane pomiędzy przeciwelektrodą a powierzchnią stali zbrojeniowej. Po przypisaniu każdej ścieżce przewodzenia jednakowego elementarnego elektrycznego schematu zastępczego analiza badań impedancyjnych stali w betonie według modelu 3D jest zbliżona do klasycznej analizy według pojedynczego elektrycznego schematu zastępczego [7].

Założenia modelu 3D poddano doświadczalnej weryfikacji. Eksperymentalnie zbadano wpływ kilku parametrów geometrii trójelektrodowego układu stal–beton na kształty otrzymywanych widm impedancyjnych. Każdorazowo przyjmując jako zmienną tylko jeden z parametrów układu, przeanalizowano wpływ średnicy zbrojenia, grubości otulenia betonowego, szerokości i długości prostokątnej przeciwelektrody. Ponadto zbadano wpływ długości pojedynczego pręta w betonie i wymuszonego ograniczenia zasięgu (powierzchni) polaryzacji stali. Z przeprowadzonych analiz wynika, że przejście z modelu klasycznego w formie pojedynczego schematu zastępczego na model 3D nie tylko nie pogarsza zgodności dopasowania widm, lecz także dodatkowo umożliwia przewidywanie tendencji zmian kształtów widm impedancyjnych przy zmianach geometrii układu. Stwierdzone lokalne niezgodności widm modelowych z doświadczalnymi wynikały głównie z niemożliwości zapewnienia identycznych właściwości elektrochemicznych w porównywanych elementach, a także ze zróżnicowanej i nierównomiernej wilgotności betonu. Zaproponowana


16

metodyka badań powiązana z autorskim modelem 3D może być narzędziem istotnie wspomagającym analizę pomiarów impedancyjnych zbrojenia w wielkogabarytowych konstrukcjach betonowych [7].

3. Osiągnięte cele, wyniki, rezultatyZakończono realizację trzeciego kamienia milowego, którego celem było opracowanie metodyki oceny stanu żelbetowych konstrukcji

zespolonych na podstawie pomiaru drgań oraz szybkości korozji zbrojenia. Całość badań wraz z autorskim modelami oraz proponowany sposób prowadzenia diagnostyki zamieszczono w dwóch monografiach [1, 7] opublikowanych przez Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. Monografie były podstawą do otwarcia dwóch przewodów habilitacyjnych dr inż. Krzysztofa Gromysza i dr inż. Mariusza Jaśnioka.

Literatura[1] Gromysz K.: Badania żelbetowych płyt warstwowych obciążonych doraźnie, cyklicznie i kinematycznie, Monografia nr 452, Wydawnictwo

Politechniki Śląskiej, Gliwice 2013 r., s. 219.[2] Gromysz K.: Verification of the Damping Model Vibrations of Reinforced Concrete Composite Slabs. 11th International Conference on Modern

Building Materials, Structures and Techniques, MBMST 2013. Procedia Engineering 57 ( 2013 ) p. 372 – 381.[3] Gromysz K.: Distribution of Forces in Composite Concrete Slabs Between The Joint and The Reinforcement Anchored on The Support. Concrete

and Concrete Structures 2013 Conference . Procedia Engineering 65 ( 2013 ) p. 206 – 211. [4] Zybura A., Jaśniok M., Jaśniok T.: Ocena zagrożenia korozją zbrojenia konstrukcji żelbetowych. Cz. 1 – Badania właściwości ochronnych

betonu, Przegląd Budowlany nr 11, 2012, s. 29-35.[5] Zybura A., Jaśniok M., Jaśniok T.: Ocena zagrożenia korozją zbrojenia konstrukcji żelbetowych. Cz. 2 – Elektrochemiczne badania korozyjne,

Przegląd Budowlany nr 1, 2013, s. 46-51.[6] Jaśniok M.: Investigation and Modelling of the Impact of Reinforcement Diameter in Concrete on Shapes of Impedance Spectra, Procedia

Engineering, Vol. 57, 2013, Elsevier, p. 456-465.[7] Jaśniok M.: Modelowanie układu stal–beton w pomiarach szybkości korozji zbrojenia metodą spektroskopii impedancyjnej, Monografia nr 470,

Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2013, s. 230.


17

Poprawa warunków cieplno-wilgotnościowych w zabytkowych budynkach mieszkalnych

i użyteczności publicznej

Wojciech TerlikowskiPolitechnika Warszawska Warszawa, Poland [email protected]

Andrzej MareckiPolitechnika Warszawska Warszawa, Poland [email protected]

Słowa kluczowe:: rehabilitacja izolacji przeciwwodnej i przeciwwilgociowej, termomodernizacja budynków zabytkowych, poprawa efektywności energetycznej budynków zabytkowych

1. Rewitalizacja budynków zabytkowych pod kątem wymagań cieplno – wilgotnościowychRehabilitacja konstrukcji zabytkowych budynków użyteczności publicznej i mieszkalnych, będąca częścią ich rewitalizacji, zakłada również

unormowanie i poprawę warunków cieplno – wilgotnościowych w budynku. Zgodnie z zasadami zrównoważonego rozwoju w budownictwie każda rewitalizacja budynku istniejącego, w tym zabytkowego powinna ograniczać energię zużywaną przez budynek, która stanowi ponad 80% całego zapotrzebowania budynku na energię. Rozwiązanie problemów cieplno – wilgotnościowych w rewitalizowanym budynku, poprzez odpowiednie badania, diagnostykę, osuszenie, rehabilitację lub wykonanie nowych izolacji przeciwwodnych, przeciwwilgociowych, termicznych, instalacji wentylacyjnej poprawiającej komfort cieplno – wilgotnościowy we wnętrzach pomieszczeń, mają zadanie kluczowe w osiągnięciu pełnego powodzenia przedsięwzięcia rewitalizacyjnego, prowadzonego pod kątem spełnienia wymagań podstawowych stawianych budynkom, również pod kątem zasad zrównoważonego rozwoju w budownictwie, w tym ograniczenia emisji gazów cieplarnianych. Przy projektowaniu rewitalizacji zabytkowych budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej zagadnienia związane z zabezpieczeniem przeciwwilgociowym lub przeciwwodnym budynków ma fundamentalne znaczenie dla całej rehabilitowanej konstrukcji, a także ze względu na opłacalność ekonomiczną całego przedsięwzięcia inwestycyjnego. Właściwe zdiagnozowanie stanu wilgotnościowego konstrukcji budynku, w tym stanu izolacji przeciwwodnej i przeciwwilgociowej jest bardzo ważne z punktu widzenia późniejszego komfortu użytkowania i spełnienia wymagań jakim powinny odpowiadać budynki i elementy ich konstrukcji. Ma to ścisły związek z poprawa efektywności energetycznej budynku zabytkowego, w tym termomodernizacją, która wymaga rozwiązań innowacyjnych pod względem materiałowym, jak i technologicznym.

Realizowany projekt badawczy zakładał dogłębną analizę rozwiązań zabezpieczeń przeciwwilgociowych, przeciwwodnych stosowanych w zabytkowych budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej, metod osuszania budynków i sposobów termomodernizacji pod kątem skuteczności i możliwości stosowania oraz opracowanie zasad ich właściwego doboru i stosowania w rewitalizacyjnym procesie inwestycyjno– budowlanym. Aby ten cel osiągnąć, w ramach badań wykonano następujące zadania:• przedstawienie metody i rozwiązań konstrukcyjnych ochrony przed wilgocią w budynkach stosowane w historii, • analizę koniecznych do przeprowadzenia badań wilgotnościowych oraz wykonania oceny stanu wilgotnościowego w zabytkowych budynkach

mieszkalnych i użyteczności publicznej, • analizę badań i sposobu oceny warunków cieplnych z oceną energetyczną budynków zabytkowych, przedstawienie i analizę metod osuszania

budynków zabytkowych,• przedstawienie i analizę metod wykonania izolacji przeciwwodnej i przeciwwilgociowej w budynkach zabytkowych (metody klasyczne

i innowacyjne), • przedstawienie i analizę metod termomodernizacji zabytkowych budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej (metody klasyczne

i innowacyjne), • opracowanie odpowiednich algorytmów postepowania i schematów.

Podejście kompleksowe do właściwego przeprowadzenia inwestycji rewitalizacji zabytkowego budynku mieszkalnego i użyteczności publicznej, z uwzględnieniem zagadnień i wymagań cieplno – wilgotnościowych, w tym prawidłowo przeprowadzonej diagnostyki ukazuje schemat zawarty na rysunku poniżej.


18

Literatura[1] Trochowicz M.: Problematyka oceny stanu wilgotnościowego w obiektach adaptowanych do współczesnych funkcji, praca zbiorowa pod

redakcją B. Szmygina, Lubelskie Towarzystwo Naukowe, Międzynarodowa Rada Ochrony Zabytkow ICOMOS, Politechnika Lubelska, Warszawa – Lublin 2009

[2] DYREKTYWA 2002/91/WE PARLAMENTU EUROPEJSKIEGO I RADY z dnia 16 grudnia 2002 r.w sprawie charakterystyki energetycznej budynków

[3] Robakiewicz M.: Ocena jakości energetycznej budynków. Wymagania – Dane - Obliczenia, Biblioteka Fundacji Poszanowania Energii, Zrzeszenie Audytorów Energetycznych, Warszawa 2004


19

Wyjątkowe obciążenie śniegiem w diagnostyce konstrukcji

Jerzy Antoni ŻurańskiInstytut Techniki BudowlanejWarszawa, [email protected]

Andrzej SobolewskiInstytut Techniki BudowlanejWarszawa, [email protected]

Słowa kluczowe: obciążenie śniegiem, obciążenie wyjątkowe, obciążenie charakterystyczne, prognoza obciążenia śniegiem

1. Wprowadzenie. Wyjątkowe obciążenie śniegiemOddziaływania wyjątkowe, w tym wyjątkowe obciążenie śniegiem, nie mają precyzyjnej definicji w ujęciu probabilistycznym. Zgodnie

z Eurokodem podstawowym [1], p. 1.5.3.5, „za oddziaływanie wyjątkowe uważa się oddziaływanie, zwykle krótkotrwałe, ale o znaczącej wielkości, którego wystąpienie w przewidywanym okresie użytkowania konstrukcji uważa się za mało prawdopodobne”. I dalej napisano w Uwadze 2: „Uderzenie, śnieg, wiatr i oddziaływania sejsmiczne mogą być uważane za oddziaływania zmienne lub wyjątkowe, zależnie od posiadanych informacji na temat ich rozkładów statystycznych”. Tę uwagę można interpretować następująco: jeżeli są dane statystyczne to wyznaczone na tej podstawie oddziaływanie jest oddziaływaniem zmiennym. Obciążenie śniegiem jest zatem obciążeniem zmiennym bowiem istnieją dane statystyczne. Na tej podstawie ustala się jego wartości charakterystyczne (prognozowane). Obciążenie wyjątkowe nie jest wyznaczane na podstawie danych statystycznych.

W Eurokodzie dotyczącym obciążenia śniegiem [2] podano definicje wartości charakterystycznej i wyjątkowej. Wartość charakterystyczna obciążenia śniegiem gruntu jest to obciążenie o rocznym prawdopodobieństwie przekroczenia wynoszącym 0,02, z wyłączeniem wyjątkowego obciążenia śniegiem. Natomiast wyjątkowe obciążenie śniegiem gruntu to obciążenie od warstwy śniegu na gruncie powstałej w wyniku opadu śniegu o wyjątkowo małym prawdopodobieństwie wystąpienia. Nie podano, o jakie prawdopodobieństwo chodzi. Wartość wyjątkową można określić jako odbiegającą znacznie od głównego ciągu wartości zmierzonych, podlegających rozkładowi prawdopodobieństwa zastosowanemu do aproksymacji danych pomiarowych. Przykładem może być wykres wartości maksymalnych rocznych (zimowych) obciążenia śniegiem gruntu ze stacji meteorologicznej w Białej Podlaskiej, przedstawiony na rys. 1. Największa wartość, zmierzona w latach 1950/1951 – 1999/2000, znacznie przewyższa pozostałe, odbiega od linii prognozy, można ją nazwać wartością wyjątkową. W terminologii angielskiej takie wartości są określane jako „outliers”, „wartości odstające”. Stosunek wartości maksymalnej, Smax = 2,58 kN/m2, raz zmierzonej w ciągu 50 lat pomiarów, do prognozowanej Sk = 1,27 kN/m2, o okresie powrotu 50 lat, wynosi 2,03. W referacie przedstawiono próbę probabilistycznego ujęcia takich wyjątkowych wartości obciążenia śniegiem gruntu.

2. Wyjątkowe obciążenie śniegiem w diagnostyce konstrukcjiW obliczeniach konstrukcji wyjątkowe obciążenie śniegiem może się pojawić dwukrotnie: w ocenie obciążenia, które konstrukcja przeniosła

w czasie dotychczasowego użytkowania oraz w prognozie obciążenia na dalsze jej użytkowanie. Pierwszy przypadek jest stosunkowo prosty. Znając wartość obciążenia śniegiem przyjętą w projekcie oraz lata jej użytkowani można ustalić, na podstawie danych archiwalnych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej, jakie maksymalne, a więc zapewne wyjątkowe obciążenie śniegiem diagnozowana konstrukcja przeniosła [4].

Drugi przypadek jest trudniejszy, bo nie wiadomo, jaką wartość wyjątkowego obciążenia śniegiem gruntu przyjąć do rozważań. Pewną wskazówką może być zalecenie normowe [2], aby była to wartość charakterystyczna, pomnożona przez współczynnik Cesl = 2,0. Jeżeli tak to należy

Rys. 1. Wartości maksymalne roczne (zimowe) obciążenia śniegiem gruntu na siatce rozkładu Gumbela i prosta prognozy wyznaczona metodą największej wiarogodności.


20

sprawdzić, czy tę wartość współczynnika Cesl można przedstawić stosując rachunek prawdopodobieństwa.W tym celu sporządzono histogram wartości stosunku Smax/Sk z 88 stacji i posterunków meteorologicznych z lat 1950 – 2000 [3] oraz dobrano

rozkład prawdopodobieństwa Gumbela, którego parametry oszacowano metodą momentów (rys. 2). Przedstawiony histogram zbudowano na podstawie największych wartości, które wystąpiły raz w ciągu 50 lat, na różnych stacjach

meteorologicznych, w różnych regionach kraju. Wartości stosunku Smax/Sk > 1,4, a więc wyższe od dotychczasowego współczynnika częściowego (bezpieczeństwa), zarejestrowano od Włodawy i Terespola, na obszarze biegnącym wąskim pasem przez środkową Polskę i następnie rozszerzającym się aż do całej granicy zachodniej.

3. WnioskiPrognozowana obecnie wartość charakterystyczna obciążenia śniegiem gruntu była najczęściej przewyższana w minionym półwieczu

1951–2000 o 20%. Wartość Cesl = 2,0 zalecana przez normę [2] występuje z częstością ok. 0,02. Jeżeli przyjąć, że jest to prawdopodobieństwo przekroczenia wartości Smax/Sk i założyć, że jednostkowym okresem pomiarowym jest 50 lat to stosunek Smax/Sk = 2,0 ma okres powrotu 2500 lat. Dotyczy to zbioru wszystkich stacji meteorologicznych przy założeniu ergodyczności procesu obciążenia śniegiem.

Literatura[1] PN-EN 1990:2002 Eurokod Podstawy projektowania konstrukcji.[2] PN-EN 1991-1-3:2005 Eurokod 1 Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-3. Obciążenie śniegiem[3] ŻURAŃSKI J.A.: SOBOLEWSKI A.: Obciążenie śniegiem w Polsce. Prace Naukowe Instytutu Techniki Budowlanej, ITB, Warszawa 2009.[4] ŻURAŃSKI J.A.: Ocena obciążenia śniegiem konstrukcji budowlanych w czasie ich dotychczasowego użytkowania.- I Konferencja Naukowa

POIG, Łódź, 16-18 października 2011

Rys. 1. Histogram i rozkład Gumbela częstości stosunku Smax/Sk.


21

Opracowanie metodyki pomiarowo-interpretacyjnej wraz z programem wdrażania

Janusz KaweckiPolitechnika Krakowska Kraków, [email protected]

Krzysztof StypułaPolitechnika Krakowska raków, [email protected]

Słowa kluczowe: komfort wibracyjny, drgania, ocena drgań

1. WstępW ustawie [1], a w szczególności w §3 tej ustawy podano ogólne warunki realizacji programu zrównoważonego rozwoju, Program ten

zobowiązuje do zapewnienia jakości życia człowieka na poziomie, na jaki pozwala obecny rozwój cywilizacyjny i to bez szkody dla przyszłych pokoleń. W ustawie [2] z kolei (w szczególności w art.5, ust.1) podano warunki, które dotyczą zrównoważonego rozwoju i odnoszą się do obiektów budowlanych. W tym zestawieniu wymieniono oprócz wymagań dotyczących zapewnienia bezpieczeństwa i użytkowania konstrukcji budowlanej również ochronę jej przed hałasem i drganiami. Drgania bowiem mogą niekorzystnie oddziaływać na człowieka i na środowisko, w którym człowiek przebywa. Rezultatem niekorzystnego oddziaływania drgań mogą być np. uszkodzenia budynków oraz naruszenie warunków wymaganego komfortu wibracyjnego w pomieszczeniach przeznaczonych na pobyt ludzi. To spowodowało, iż wprowadzono tematykę zapewnienie komfortu wibracyjnego ludziom w budynkach do projektu badawczego objętego POIG jako temat PT1.7 pod nazwą: Metody oceny i zapewnienia wymaganego komfortu ludziom przebywającym w budynkach narażonym na wpływ drgań. W wyniku realizacji tego tematu powstały zweryfikowane procedury i narzędzia badawcze, które mogą nie tylko pomóc w ocenie narażenia wibracyjnego ludzi przebywających w budynkach i odbierających drgania w sposób bierny, ale również wyposażają projektantów takich konstrukcji budowlanych w narzędzia umożliwiające uwzględnienie już podczas projektowania budynków wymagań odnośnie do zapewnienia ludziom w budynkach niezbędnego komfortu wibracyjnego. Wyniki uzyskane podczas dotychczasowej realizacji tematu PT1.7, oprócz przedstawiania ich na różnych konferencjach naukowych i naukowo-technicznych (por. np.: [4, 5, 6]) zostały zebrane w niedawno wydanej książce [7]. Upowszechnienie opracowanej i zweryfikowanej w praktycznych zastosowaniach metodyki pomiarowo-interpretacyjnej opisanej w tej książce powinno przyczynić się do ujednolicenia zasad oceny zapewnienia komfortu wibracyjnego ludziom w budynkach z uwzględnieniem obiektywnych kryteriów. Rezultaty uzyskane przy realizacji tematu PT1.7 pozwalają również na zaproponowanie PKN wykonania zadania doprowadzającego do nowelizacji normy [3].

2. Badania zrealizowane w PT1.7 jako podstawa do nowelizacji [3]2.1. Opracowanie metodyki pomiarowo-interpretacyjnej

Przed przystąpieniem do prac związanych z nowelizacją normy [3] zebrano i usystematyzowano informacje dotyczące opisanych w normie procedur i kryteriów. Wskazano także na nowe obszary zastosowań tych procedur i kryteriów oraz nowe narzędzia badawcze i obliczeniowe dostępne w pracy ekspertów.

Informacje o realizowanych już wcześniej procedurach wywodzących się ze sformułowań normowych i wprowadzonych do obowiązujących uregulowań prawnych stanowiły zbiór danych początkowych. Do takiego zbioru zaliczono np. Uchwałę [8], w której zalecono w odpowiednich przywołaniach metodykę opracowaną wcześniej w Instytucie Mechaniki Budowli, a dotyczącą opracowań projektowych i diagnostycznych, w których w odniesieniu do budynków i ludzi w budynkach należy uwzględnić wpływ drgań generowanych przejazdami pociągów metra. W opisywanej tu sytuacji potrzebę i zakres nowelizacji normy [3] badano realizując zadania tematu PT1.7. Prace te prowadzono wielowątkowo. Z jednej strony zmierzano do opracowania i zweryfikowania procedur pomiarowo-interpretacyjnych umożliwiających ocenę i zapewnienia ludziom w budynkach wzmaganego komfortu wibracyjnego. Z drugiej zaś strony sprawdzano w jakim stopniu można w tych procedurach zastosować zapisy ujęte w normie [1]. Jeśli w jakiejś części zapisy te były za mało precyzyjne albo niewystarczające do prawidłowej diagnozy, to formułowano wnioski w sprawie modyfikacji albo poszerzenia zapisów normowych.

Spośród trzech głównych parametrów oceny zapewnienia komfortu wibracyjnego ludziom w budynkach wykazano, iż najszersze zastosowanie ma widmo wartości skutecznej przyspieszenia/prędkości drgań w pasmach 1/3 oktawowych (por. [6, 9]). Przyjęcie widma drgań w pasmach ⅓ oktawowych do oceny zapewnienia ludziom wymaganego komfortu wibracyjnego ma jednak pewne wady, jeśli konieczne staje się porównywanie wyników pomiarów albo obliczeń uzyskanych przy wystąpieniu różnych źródeł drgań oraz wielu budynków usytuowanych wzdłuż tras komunikacyjnych. Zaproponowano więc, aby najważniejsze informacje niezbędne przy tego rodzaju porównaniach wyrazić za pomocą wskaźnika WODL (por. [10]). Wartość wskaźnika WODL podaje się wraz z informacją o częstotliwości środkowej pasma ⅓ oktawowego, w którym wyznacza się WODL.

Oddzielnym zagadnieniem również analizowanym w przywoływanych tu badaniach były metody redukcji drgań w celu zapewnienia niezbędnego komfortu wibracyjnego ludziom przebywającym w budynkach. W zależności od stanu źródła drgań (projektowane, eksploatowane) i obiektu (projektowany, zrealizowany) opracowano środki techniczne stosowane w źródle drgań, na drodze ich propagacji oraz w odbiorniku drgań podając sposoby dobrania ich charakterystycznych parametrów w konkretnych sytuacjach.

Na podstawie rozpoznania literatury (uzupełnianego systematycznie podczas realizacji tematu badawczego) oraz doświadczeń własnych zebranych podczas realizacji zadań diagnostycznych i projektowych związanych z zapewnieniem niezbędnego komfortu wibracyjnego ludziom przebywającym w budynkach opracowano procedury występujące w metodyce pomiarowo – interpretacyjnej. Zwrócono szczególną uwagę na planowanie i realizację pomiarów dynamicznych. Wszystko to obszernie opisano w książce [7].


22

2.2. Przygotowanie do nowelizacji normy [3]Wykonawcy tematu PT1.7 dysponują już znaczącym zbiorem informacji, który można wykorzystać w procedurze nowelizacji normy [3]. Do najważniejszych zmian w normie [3], które proponuje się wprowadzić w procesie nowelizacji zalicza się:

✓ Uściślenie zapisów dotyczących kryteriów oceny wpływu drgań na ludzi w budynkach (analiza wartości RMS w podanych pasmach częstotliwości, wykorzystanie wskaźników WODL w ocenach porównawczych itp.).

✓ Tworzenie i wykorzystanie bazy danych pomiarowych. ✓ Uwzględnienie w ocenach czasu narażenia wibracyjnego. ✓ Podanie działań kierunkowych prowadzących do redukcji nadmiernych drgań.

Najważniejsze jest jednak to, że rezultaty dotychczasowych badań zostały już zebrane w książce [7] i mogą być już stosowane przez autorów opracować diagnostycznych i projektowych. To uznaje się za istotny element wdrożenia wyników badań.

2.3. Literatura[1] Ustawa: Prawo ochrony środowiska z dnia 27.04.2001 r. (Dz. U. z 2001 r., Nr 62, poz. 627).[2] Ustawa: Prawo budowlane z dnia 7.07.1994 (Dz. U. z 2010 r., Nr 243, poz. 1623)[3] PN-88/B-02171, Ocena wpływu drgań na ludzi w budynkach 1988, norma polska[4] Kawecki J.; Uwzględnienie wpływu drgań na ludzi w projektowaniu i diagnostyce budynków, V Seminarium „WIBROSZYN-2010” Politechnika

Krakowska, Kraków 2010,[5] Kawecki J.; Zastosowanie procedur oceny wpływu drgań na ludzi w projektowaniu i diagnostyce budynków, Materiały VI Seminarium: Wpływ

hałasu i drgań wywołanych eksploatacją transportu szynowego na budynki i ludzi w budynkach. Diagnostyka i zapobieganie, WIBROSZYN’2011, Kraków 8-9 września 2011,

[6] Kawecki J., Kowalska-Koczwara A., Stypuła K.: Consideration of Criteria of Vibration Comfort of People in Diagnosis and Design of Buildings. World Academy of Science, Engineering and Technology, Venice Italy, WASET, 2011 Issue 59 November 2011,

[7] Kawecki J., Stypuła K.; Zapewnienie komfortu wibracyjnego ludziom w budynkach narażonych na oddziaływania komunikacyjne, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 2013

[8] 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.

[9] Kawecki j., Kowalska-Koczwara A.; Analysis of influence of vibrations on humans In buildings in standards approach; Archives of Civil Engineering, LVIII, 2, 2012, str. 223-239

[10] Kawecki J., Stecz P., Stypuła K.: O konieczności wykonywania obliczeń symulacyjnych wibroizolacji w torze tramwajowym; Czasopismo Techniczne, 2011, z. 19; Seria: Budownictwo, z. 3-B; Kraków,


23

Nośność i stan wytężenia osiowo ściskanych słupów betonowych w płaszczu kompozytowym

Piotr KorzeniowskiPolitechnika GdańskaGdańsk, [email protected]

Marcin AbramskiPolitechnika Gdańska Gdańsk, [email protected]

Słowa kluczowe: : materiały kompozytowe, FRP, słupy zespolone, badania eksperymentalne

1. WstępPowszechnie znane są zalety zbrojenia FRP (Fiber Reinforced Polymer) w konstrukcjach betonowych: bardzo duża odporność korozyjna, wysoka

wytrzymałość, niski ciężar, niska przewodność elektryczna i termiczna, słabe właściwości magnetyczne. Znane są także wady tego typu zbrojenia: niesygnalizowane zniszczenie konstrukcji spowodowane sprężysto-liniową charakterystyką wytrzymałościową, brak odporności ogniowej, niski moduł sprężystości, niska udarność oraz wysoka cena produkcji.

Istnieją konstrukcje, w których wspomniane wyżej zalety są szczególnie istotne, a wady materiałów FRP tracą na swoim znaczeniu. Do takich konstrukcji należą nabrzeża, pirsy czy mola, dla których ryzyko rozprzestrzeniania się ognia nie istnieje, a odporność korozyjna jest szczególnie istotna. Słupy takich nabrzeży, często wykonywane z rur stalowych wypełnianych betonem, można by realizować w technologii FRP.

Na I Konferencji poświęconej zagadnieniom naszego projektu badawczego POIG [1,2] zaprezentowano wyniki badań eksperymentalnych osiowo ściskanych słupów wykonanych z wypełnionych betonem rur z kompozytu szklano-bazaltowego. Na obecnym etapie projektu wykonano podobne badania, lecz jako płaszcz słupów użyto kompozytu szklanego w dwóch wariantach: o grubej ściance (23 mm) i o cienkiej ściance (6mm).

2. Badania eksperymentalne rur grubościennych2.1. Program badań

Wykonano osiem słupów w postaci rur grubościennych wypełnionych betonem. Cztery słupy miały wysokość 1000 mm, a pozostałe cztery 2000 mm. Rury miały średnicę zewnętrzną 204 mm, zaś grubość ścianki wynosiła 23 mm. Włókna szklane rovingowe nawijane w procesie produkcji metodą „bez końca” skoncentrowane były przede wszystkim w strefach zewnętrznych ścianki i miały kierunek obwodowy. Oprócz słupów przebadano także puste odcinki rur o długości 2000 mm, 1000 mm i sześć próbek po 500 mm.

Wszystkie elementy badawcze poddano ściskaniu osiowemu. Podparcie wszystkich słupów i rur było obustronnie przegubowe. Proces obciążania sterowany był przemieszczeniem. Podczas badań rejestrowano za pomocą tensometrów odkształcenia podłużne i obwodowe płaszcza słupów.

2.2. Wyniki badańPuste rury niszczyły się lokalnie w strefie docisku. Działo się tak pomimo zastosowania środków zapobiegających utracie stateczności lokalnej:

korków betonowych i obręczy stalowych na głowicach rur. Świadczy to o kruchości rur spowodowanej prawdopodobnie ich niejednorodną konstrukcją. Włókna długie koncentrują się mianowicie w warstwach obwodowych (zewnętrznych) rur, podczas gdy w warstwach środkowych dominują wypełniające włókna cięte. W wyniku badania wytrzymałości rur na ściskanie otrzymano wartość średnią 88,4 MPa przy odchyleniu standardowym 15,3 MPa. Średni moduł sprężystości materiału rur wyniósł 15,5 GPa. Wytrzymałość średnia betonu wypełniającego rury wynosiła od 35,8 do 36,8 MPa.

Słupy wypełnione betonem niszczyły się poprzez wyboczenie i silne wygięcie (słupy smukłe) lub przez wyboczenie i gwałtowne (przy ledwie dostrzegalnym wygięciu) rozerwanie płaszcza połączone z pęknięciem rdzenia betonowego (słupy krępe).

2.2. Porównywanie uzyskanych nośności eksperymentalnych z obliczeniami według norm europejskiej i polskiejWyniki uzyskane na drodze eksperymentalnej zweryfikowano obliczeniami inżynierskimi. Ponieważ nie istnieje krajowa czy europejska norma

obliczeń betonowo-kompozytowych konstrukcji zespolonych, posłużono się dwiema innymi normami: Eurokod 4 [3] (dotyczy stalowo-betonowych konstrukcji zespolonych) oraz PN-B-03264/2002 [4] (w części dotyczącej słupów uzwojonych).

Algorytm wg EC4 daje znacznie odbiegające od rzeczywistych wartości nośności. W przypadku słupów długich niebezpiecznie zawyża ich nośność o ok. 20%, natomiast w przypadku słupów krótkich – nośność tę zaniża o ok. 30%. Algorytm na bazie polskiej normy daje znacznie lepszą zbieżność wyników. W przypadku słupów długich zawyża ich nośność o ok. 10%. W przypadku słupów krótkich natomiast nośności przewidywane są precyzyjnie. Z racji oczywistych różnic materiałowych między stalą konstrukcyjną a zastosowanym w badaniach kompozytem uzyskane wyniki obliczeń nośności należy potraktować jako wstępne.

3. Badania eksperymentalne rur cienkościennychObecnie trwają badania dwunastu słupów o tej samej średnicy zewnętrznej co opisane wyżej słupy grubościenne, lecz wykonanych z rur

o grubości ścianki 6mm. Kompozyt wykonany jest także na bazie włókien szklanych. Tym razem jako kryterium badań przyjęto kierunek nawinięcia włókien: 20 (tzw. nawój krzyżowy), 55 (także nawój krzyżowy) i 85 (tzw. nawój równoległy). Beton wypełniający jest także klasy C30/37. Długość słupów wynosi również 2000 mm. Warunki badanie są więc niemal takie same jak dla rur grubościennych. Wyniki badań oraz wnioski z porównania obu serii badawczych zostaną przedstawione podczas Konferencji.


24

Literatura[1] Korzeniowski P, Abramski M: Nośność i stan wytężenia wypełnionych betonem rur z kompozytu szklano-bazaltowego. I Konferencja POIG,

Łódź, 16-18.10.2011.[2] Abramski M., Korzeniowski P.: Load-carrying capacity and state of effort tubes made of glass and basalt fibre reinforced polymer filled with

concrete. Current scientific challenges in concrete and steel structures and concrete technology, pp. 1-8. Gdansk University of Technology, Faculty of Civil anad Enviromental Engineering, 2011.

[3] EN 1994-1-1: 2004. Eurocode 4. Design of composite steel and concrete structures, Part 1-1: General rules and rules for buildings. [4] PN-B-03264/2002. Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone. Obliczenia statyczne i projektowanie.


25

Nośność i stan wytężenia płyt betonowychzbrojonych prętami z włókien węglowych

Piotr KorzeniowskiPolitechnika GdańskaGdańsk, [email protected]

Marcin AbramskiPolitechnika Gdańska Gdańsk, [email protected]

Marek WesołowskiPolitechnika Gdańska Gdańsk, [email protected]

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

1. WstępPodczas ubiegłorocznej konferencji POIG autorzy niniejszego referatu prezentowali wyniki badań płyt betonowych zbrojonych prętami

z kompozytu zawierającego włókna bazaltowe [1]. Wysoka wytrzymałość, bardzo duża odporność korozyjna i inne zalety materiałów kompozytowych zachęcają do poszukiwania ich zastosowania jako alternatywy dla stalowych prętów zbrojeniowych konstrukcji betonowych.

W niniejszym artykule opisano dwa eksperymenty z płytami betonowymi zbrojonymi prętami z kompozytu zawierającego włókna węglowe. Podobnie jak w poprzednio opisywanych badaniach procent zastosowanego zbrojenia węglowego wynosił około ρ=1%, a więc odpowiadał zwykłym zastosowaniom w konstrukcjach żelbetowych. Wyniki nośności i ugięć odniesiono do znanych z literatury normowych modeli płyt zbrojonych [2], [3].

2. Program badań eksperymentalnych Badania przeprowadzono na dwóch płytach dwuprzęsłowych o wymiarach 360 cm x 90 cm x 8 cm. Rozpiętość teoretyczna jednego przęsła

wynosiła 160 cm. Użyto betonu klasy C30/37. Uzyskane wartości średnie wytrzymałości betonu fcm w dniu badania wyniosły 34,8 oraz 35,7 MPa. Zbrojenie dolne w postaci 11 prętów węglowych o średnicy 8mm poprowadzono przez całą długość płyty. Zbrojenie górne, również w postaci 11 prętów, poprowadzono tylko i wyłącznie nad podporą pośrednią, symetrycznie w każdą stronę. Wytrzymałość kompozytowych prętów węglowych na rozciąganie według producenta wynosiła 1280 MPa, a moduł Younga 98 GPa. W wybranych miejscach na prętach zainstalowano tensometry w celu pomiaru odkształceń zbrojenia podczas badań eksperymentalnych. Obciążanie płyt odbywało się za pomocą dwóch sprzężonych siłowników hydraulicznych usytuowanych symetrycznie, w przybliżeniu w środkach rozpiętości obydwu przęseł. Podczas badania rejestrowano w kolejnych fazach obciążenia:

• siły skupione przyłożone do obydwu przęseł,• ugięcia przęseł w miejscach przyłożenia sił skupionych,• odkształcenia betonu na górnej powierzchni płyt,• odkształcenia prętów zbrojeniowych.

3. Wyniki badań eksperymentalnych Mechanizm zniszczenia obu płyt był jednakowy: złamanie przebiegające przez całą szerokość płyty w trzech miejscach: nad podporą oraz pod

siłami skupionymi w przęsłach. Przyczyna takiego zachowania płyt leży w kształcie i konstrukcji węglowych prętów zbrojeniowych. Odznaczały się one bardzo gładkim, idealnie okrągłym przekrojem poprzecznym bez jakiegokolwiek użebrowania. Brak przyczepności spowodował poślizg zbrojenia względem betonu, co znacznie obniżyło sztywność przekroju. Zaobserwowano centymetrowe wsunięcie pręta na czole płyty. Poślizg zbrojenia dał się zaobserwować także na wykresach: zarówno ugięć jak i odkształceń.

3. Analiza wyników eksperymentów w świetle wytycznych projektowania konstrukcji betonowychNośności i ugięcia pomierzone w badaniach eksperymentalnych porównano z wartościami teoretycznymi obliczonymi na podstawie zaleceń

do projektowania [2]. Większość procedur proponowanych przez te wytyczne opiera się na wzorach i modelach obliczeniowych stosowanych dla elementów żelbetowych (np. w [3]), przy czym wprowadza się pewne modyfikacje. Analiza obliczeniowa nośności wykonana według wytycznych [2] wykazała, że zniszczenie płyt nastąpić powinno poprzez zmiażdżenie betonu. Mechanizm zniszczenia obu płyt okazał się w rzeczywistości być inny: utrata przyczepności między zbrojeniem a betonem. Zmierzone siły niszczące, odpowiednio 35 kN dla płyty pierwszej i 38 kN dla płyty drugiej, okazały się zdecydowanie niższe w stosunku do wyników obliczeń analitycznych (85 kN) i stanowiły zaledwie 43% tychże.

Badania [1] przeprowadzone dla identycznych płyt, lecz z wykorzystaniem zbrojenia bazaltowego o podobnych parametrach wytrzymałościowych przyniosły z kolei bardzo dobrą zgodność eksperymentu z wynikami obliczeń teoretycznych według [2]. Pręty bazaltowe wykorzystane w tamtych badaniach były jednak użebrowane.

5. Wnioski i kierunki dalszych badańMetoda wyznaczania nośności na zginanie proponowana przez wytyczne do projektowania [2] nie uwzględnia stopnia przyczepności między

prętami kompozytowymi a betonem. W wypadku niniejszej analizy poskutkowało to niebezpiecznie niską nośnością eksperymentalną w stosunku


26

do normowej.Aby poprawić przyczepność prętów nieużebrowanych oraz gładkich, można na przykład przed ich wbudowaniem wykonać na nich posypkę

piaskową na podłożu z żywicy epoksydowej.Jakość powierzchni zbrojenia kompozytowego ma bezpośredni wpływ na efektywne jego wykorzystanie dla uzyskania wysokiej nośność

elementów betonowych. Praktyczne zastosowanie zbrojenia kompozytowego w elementach betonowych musi być poprzedzone zastosowaniem rozwiązań technologicznych zapewniających przyczepność prętów do betonu.

Literatura[1] Korzeniowski P., Abramski M., Wesołowski M.: Nośność i stan wytężenia płyt betonowych zbrojonych prętami z włókien bazaltowych. II

Konferencja POIG, Łódź, 18-20.11.2012. [2] ACI 440.1R-06 Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars. Reported by ACI Committee 440

chaired by John P. Busel. American Concrete Institute, 2006.[3] PN-EN 1992-1-1. Projektowanie konstrukcji z betonu. Polski Komitet Normalizacyjny, 2008.


27

Badania doświadczalne przyczepności prętów kompozytowych GFRP oraz BFRP do betonu

Paweł OlbrykPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Piotr SzymczakPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Szymon ChołostiakowPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Słowa kluczowe: pręty FRP, szkło, bazalt, przyczepność do beton

1. Informacje wstępnePręty kompozytowe stosowane do zbrojenia betonów muszą wykazywać wystarczającą przyczepność, która zapewni dobrą współpracę

kompozytu z betonem, ma to bowiem istotny wpływ na stopień wykorzystania mechanicznych właściwości prętów. W przypadku zbrojenia stalowego współpraca ta zapewniana jest przez użebrowanie prętów. Przy produkcji prętów FRP stosowane są różne sposoby zwiększania przyczepności: powłoki piaskowe, spiralne nacięcia, owijanie pręta pasmami włókien nasączonych żywicą.

Badania przyczepności do betonu objęły pręty kompozytowe, zawierające włókna szklane (GFRP – Glass Fibre Reinforced Polymer) i włókna bazaltowe (BFRP). Badania prowadzono zgodnie z normą PN-EN 10080 Stal do zbrojenia betonu. Miało to na celu porównanie przyczepności prętów stalowych i FRP.

Badania przeprowadzono metodą zginania belki (metoda CEB/RILEM). Określano zatem przyczepność podstawową, nie analizując wpływu rozstawu prętów i grubości otuliny (np. [1]).

2. Badania doświadczalneBadaniu poddano pręty GFRP o średnicach nominalnych 8,5mm i 11mm oraz pręty BFRP o średnicach nominalnych 7mm i 9mm, z pasmami

włókien nakładanymi dwukierunkowo (rys. 1). Próbki do badań przygotowano zgodnie z wymaganiami PN-EN. Długość odcinka przyczepności wynosiła w każdym przypadku 10d (d – nominalna średnica pręta), na pozostałych odcinkach przyczepność wykluczano stosując tulejki z tworzywa sztucznego o średnicy wewnętrznej 14,6mm.

Przemieszczenia pręta kompozytowego względem betonu rejestrowano przy obu końcach próbki, za pomocą przetworników przemieszczeń liniowych, które umieszczano w uchwytach, przymocowanych do czołowych płaszczyzn próbki. Siła obciążająca próbkę była oceniana na podstawie wskazań czujnika ciśnieniowego, umieszczonego w układzie hydraulicznym prasy. Wszystkie odczyty były zapisywane za pomocą komputerowego systemu akwizycji danych. Wytrzymałość betonu próbek na rozciąganie wyniosła fctm=2,5 MPa.

Przy każdym badaniu próbkę początkowo obciążano siłami przykładanymi skokowo, w celu sprawdzenia poprawności ustawienia, a potem przechodzono na obciążenie i zapis ciągły, wyniki były wtedy rejestrowane co 1 sekundę. Badanie uznawano za zakończone, gdy występował

Rys. 1. a) powierzchnia prętów GFRP i CFRP prętów kompozytowych; b) widok pręta kompozytowego w próbce na odcinku przyczepności, przed betonowaniem


28

gwałtowny przyrost przemieszczenia na jednym z czujników i towarzyszący mu spadek siły obciążającej.Przykładowe wykresy zależności siła – przemieszczenie przedstawiono na rys. 2. Odpowiadają one zależnościom podawanym w literaturze

[1, 2] i umożliwiają opisanie naprężenia przyczepności w funkcji poślizgu prętów.

Średnie wartości naprężeń przyczepności przy określonym poślizgu prętów zestawiono w tablicy 1. W tablicy odniesiono też naprężenia przyczepności τ0,01 do wytrzymałości betonu fctm, a naprężenia maksymalne w prętach kompozytowych do ich wytrzymałości na rozciąganie. Jak można zauważyć, pręty GFRP wykazują nieco lepszą przyczepność niż pręty BFRP, a wzrost nominalnej średnicy skutkuje zmniejszeniem przyczepności.

Drugim czynnikiem ocenianym w analizie przyczepności jest względne pole powierzchni żebra fR. W przypadku prętów FRP nie można jednoznacznie określić tej wielkości, gdyż powierzchnie żeber nie są ostre (por. rys.1). Według PN-EN 1992-1-1, załącznik C, przyczepność można uznać za wystarczającą – bez względu na wartość fR – jeżeli naprężenia przyczepności, badane metodą CEB/RILEM, spełniają wymagania podane w tablicy 1 (dwie ostatnie kolumny). Z porównania doświadczalnych wartości τ i wartości wymaganych normą wynika, że w zasadzie warunki normowe są spełnione. Odstępstwo dotyczy jedynie pręta bazaltowego o średnicy 7mm.

Przytoczone wyniki badania upoważniają do stwierdzenia, że przyczepność prętów kompozytowych nie odbiega od przyczepności prętów stalowych do betonu.

3. PodsumowanieWyniki badań prętów kompozytowych wykazały, że zarówno pręty z włókien szklanych (GFRP) jak i włókien bazaltowych (BFRP) charakteryzują

się bardzo dobrą przyczepnością do betonu i spełniają wymagania stawiane prętom stalowym. Ta uwaga dotyczy przyczepności podstawowej. Nie analizowano wpływu grubości betonowej otuliny, ani rozstawu prętów.

Spostrzeżenia poczynione podczas badania belek zbrojonych całkowicie lub częściowo prętami kompozytowymi [3] także wykazały, że rozciągane pręty FRP współpracują z betonem podobnie jak pręty stalowe. Co ważne, ta sama uwaga dotyczy kompozytowych prętów ściskanych. Przyczepność betonu do kompozytu jest zachowana w całym zakresie obciążenia bez względu na przyczynę zniszczenia (ścinanie, zginanie).

Literatura[1] fib bulletin 40; FRP reinforcement in RC structures, September 2007[2] fib bulletin 65; Model Code 2010, Final Draft, Volume 1[3] Olbryk P., Szymczak P., Kamińska M. E., Flexural behavior of concrete beams reinforced with glass and basalt fibre- reinforced polymer (FRP),

The 9th Central European Congress on Concrete Engineering, pp. 344-347.PN-EN 1992-1-1. Projektowanie konstrukcji z betonu. Polski Komitet Normalizacyjny, 2008.

Rys. 2. Przykładowe krzywe siła-poślizg wybranych próbek

Tablica 1. Podstawowe wyniki pomiarów


29

Skuteczność strzemion kompozytowychjako zbrojenia na ścinanie

Paweł OlbrykPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Piotr SzymczakPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Szymon ChołostiakowPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Słowa kluczowe: pręty FRP, szkło, bazalt, belka betonowa, ścinanie

1. WprowadzenieStrzemiona kompozytowe nie mogą być wyginane na budowie, tak jak stalowe. Ze względów technologicznych wytwórnie FRP kształtują pręty

w postaci spirali. Po zwykłym rozciągnięciu spirali otrzymuje się strzemiona pochylone względem podłużnej osi belki. Strzemiona można jednak ukształtować tak, aby ich ramiona umieszczone przy bocznych powierzchniach belki były prostopadłe do jej osi – ułożone pod kątem są wtedy ramiona przy dolnej i górnej powierzchni belki.

2. Badania doświadczalneBadania objęły 4 belki, w których wyeksponowano wpływ rodzaju strzemion FRP oraz ich rozstawu na nośność ścinania (rys. 1). Pierwsze dwie

belki zaprojektowano tak, aby móc ocenić efekty zastosowania strzemion FRP w postaci spirali lub strzemion dwuciętych o kształcie tradycyjnym, uzyskanych w wyniku przecięcia strzemion spiralnych na odpowiednie odcinki. Zbrojenie podłużne tych belek oraz część strzemion wykonano ze stali Rb500W. Niesymetryczne zbrojenie przypodporowych stref obu belek przyjęto z myślą o badaniu każdej z nich w dwóch etapach. Założono, że po zniszczeniu belki na ścinanie w słabiej zbrojonej strefie przypodporowej zostanie skrócona rozpiętość belki (przy niezmienionej odległości sił od podpór) i belka zostanie obciążona ponownie, aż do zniszczenia strefy o silniejszym zbrojeniu poprzecznym. Jako zbrojenie pozostałych dwóch belek, zarówno podłużne (dolne i górne) jak i poprzeczne, zastosowano pręty FRP zawierające włókna szklane (rys. 2b, 2c).

Rys. 1. Zbrojenie belek eksponujące efekty zastosowania prętów FRP jako zbrojenia poprzecznego a) S-1/S-2; b) G-1; c) G-2


30

Szczegóły zniszczenia i wielkości sił niszczących uzyskanych w badaniach belek zbrojonych poprzecznie (S-1, S-2) oraz całkowicie (G-1, G-2) prętami kompozytowymi są podane w tablicy 1. Poprzeczne zbrojenie belki S-2 okazało się tak silne, że belka zniszczyła się ze względu na zginanie.

Strzemiona kompozytowe GFRP wbrew obawom wykazały wysoką skuteczność w przenoszeniu ścinania. Strzemiona zrywały się w obrębie rysy niszczącej, poza nią zachowywały przyczepność do betonu. Nie dochodziło do lokalnego niszczenia strzemion w miejscu załamania spirali kompozytowej, z której je kształtowano. Zniszczenie zawsze miało charakter kruchy, gwałtowny. Potwierdza to sugestie podawane w [1,2] o zasadzie ustalania nośności belki ze względu na ścinanie jako sumy nośności betonu i kompozytowego zbrojenia poprzecznego.

3. PodziękowanieBadania dofinansowane z funduszy projektu UE “Innowacyjne 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

Tablica 1. Zniszczenie belek zbrojonych prętami kompozytowym GFRP(włókna szklane)

Rys. 2. Obraz zniszczenia belek S-1 (etap II obciążenia) oraz G-1


31

Zastosowanie modelu połączonego MES do symulacji lokalizacji odkształceń i rys w betonie

Jerzy BobińskiPolitechnika GdańskaGdańsk, [email protected]

Jacek TejchmanPolitechnika Gdańska Gdańsk, Polandtejchmk@ pg.gda.pl

Słowa kluczowe: beton, lokalizacja, rysy, XFEM

1. ProblemModelowanie inicjacji i rozwoju rys w betonie jest zagadnieniem bardzo skomplikowanym. Na początku procesu pękania pojawia się obszar

z wieloma równoległymi mikro-rysami. Wraz ze wzrostem obciążenia mikro-rysy rozwijają się w jedną dyskretną makro-rysą.Istnieją dwa podstawowe podejścia stosowane do symulacji rys w betonie. Pierwsza grupa modeli bazuje na zasadach mechaniki kontynualnej,

które symulują zachowanie betonu po utworzeniu się lokalizacji odkształceń. Do tej grupy należą prawa konstytutywne betonu stosujące teorię plastyczności, ciągłą mechanikę uszkodzeń, modele rys rozmytych lub łączące plastyczność z degradacją sztywności. Ze względu na obecność osłabienia wymagają one zdefiniowania długości charakterystycznej mikrostruktury za pomocą np. teorii nielokalnej (typu gradientowego lub całkowego) lub tłumienia.

Druga grupa podejść pomija występowanie fazy mikro-rys modelując jedynie makro-rysy ze skokami przemieszczeń. Rozwiązanie klasyczne polega na zastosowaniu elementów kontaktowych wzdłuż krawędzi elementów skończonych. Nowoczesne teorie pozwalają na definicję skoków pola przemieszczeń także wewnątrz elementów skończonych wykorzystując podejście silnej nieciągłości (SDA – Strong Discontinuity Approach) lub rozszerzoną metodę elementów skończonych (XFEM – eXtended Finite Element Method).

2. Model połączonyDo opisu procesu pękania betonu wykorzystano rozszerzoną metodę elementów skończonych (XFEM) dla materiałów kohezyjnych [1, 2].

Przeprowadzone symulacje numeryczne wykazały skuteczność tej metody w odwzorowywaniu zachowania się zarysowanego betonu. Pokazały również duże znaczenie właściwego algorytmu wyznaczania kierunku propagacji rys. Stosowane powszechnie algorytmy lokalne, jak również zaproponowane w literaturze różne podejścia numeryczne (np. algorytm globalnego śledzenia) nie zawsze gwarantują uzyskanie poprawnej morfologii rys.

Z tego powodu sformułowano model połączony [3, 4] zawierający podejście ciągłe (prawo sprężysto-plastyczne z nielokalnym osłabieniem) do opisu lokalizacji odkształceń i nieciągłe (XFEM) do opisu makro-rys. Podejście pozwala na wykorzystanie równań mechaniki kontynualnej do poprawnego wyznaczenia kierunku rozwoju rys dyskretnych.

3. Symulacje MESWyniki symulacji MES pokazały wyższość tego podejścia nad standardowym algorytmem XFEM. Na rys. 1 przedstawiono trajektorie rys

uzyskane dla testu doświadczalnego Nooru-Mohameda [5]. Test ten polega na obciążaniu elementu betonowego z dwoma nacięciami różnymi kombinacjami sił ścinających i rozciągających. Analizowany test składał się z dwóch faz: ścinania siłą poziomą do osiągnięcia wartości 10 kN oraz rozciągania siłą pionową z utrzymywaniem stałej wartości siły poziomej. Dla podejścia XFEM otrzymano zbyt duże zakrzywienie rys. Zastosowanie modelu połączonego pozwoliło na uzyskanie mniej zakrzywionych rys, bliższych wynikom doświadczalnym.

Wykonano także symulacje testu trzypunktowego zginania belki betonowej z nacięciem. Obliczone przemieszczenia i odkształcenia (rys. 2) porównano z wynikami doświadczalnymi [6] uzyskanymi techniką korelacji cyfrowej obrazów DIC (Digital Image Correlation). Uzyskano dobrą zgodność miedzy wynikami numerycznymi i doświadczalnymi. Metoda DIC pozwala na wyznaczenie szerokości lokalizacji i rys na powierzchni betonu oraz na identyfikację punktu/obszaru przejścia lokalizacji odkształceń w makro-rysę.

Rys. 2. Test doświadczalny Nooru-Mohameda [5]: trajektorie rys zakrzywionych dla podejścia XFEM (a) i modelu połączonego (b)

a) b)


32

Literatura[1] MÖES N., BELYTSCHKO T., “Extended finite element method for cohesive crack growth”, Engineering Fracture Mechanics, Vol. 69, No. 7, 2002,

pp. 813–833.[2] 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.[3] BOBIŃSKI J., TEJCHMAN J., “A coupled continuous-discontinuous approach to concrete elements” FraMCos-8, Toledo, 10-14 marca 2013. [4] BOBIŃSKI J., TEJCHMAN J., “Application of a coupled continuous-discontinuous approach to concrete facture”, CFRAC 2013, Praga, 5-7

czerwca 2013 .[5] NOORU-MOHAMED M.B., Mixed mode fracture of concrete: an experimental research, PhD Thesis, TU Delft, 1992.[6] 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.

Rys. 2. Test trzypunktowego zginania belki betonowej: przemieszczenia i odkształcenia z doświadczeń (a) i symulacji MES (b)

a) b)


33

Deterministyczno-statystyczny efekt skali w belkach betonowych zginanych

Ewelina KorolPolitechnika GdańskaGdańsk, [email protected]


Słowa kluczowe: beton, efekt skali, korelacja, nielokalność, pola losowe, sprężysto-plastyczność

Efekt skali jest nieodłączną cechą materiałów quasi-kruchych. Wytrzymałość nominalna, która jest miarą naprężenia w chwili zniszczenia, maleje wraz ze wzrostem wymiarów próbki. Dwa rodzaje efektu skali mają zasadnicze znaczenie dla belek betonowych oraz betonowych zbrojonych [1]: 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 obszerną deterministyczno-statystyczną analizę MES geometrycznie podobnych belek betonowych bez nacięcia oraz belek betonowych zbrojonych podłużnie prętami stalowymi. W obliczeniach zastosowano sprężysto-plastyczny model konstytutywny betonu z nielokalnym osłabieniem oraz długością charakterystyczną mikrostruktury. Symulacje deterministyczne wykonane zostały przy założeniu równomiernie rozłożonej lokalnej wytrzymałości na rozciąganie. W symulacjach statystycznych wykorzystano pola losowe (wg rozkładu Gaussa) przestrzennie skorelowane o zadanej długości korelacji l. Wyniki symulacji MES belek zbrojonych porównano z własnymi wynikami doświadczalnymi [2].

Analiza MES belek betonowych zbrojonych wykazała, że głównym źródłem redukcji nominalnej wytrzymałości na ścinanie jest deterministyczny efekt skali (Rys.1a). W symulacjach deterministycznych wytrzymałość nominalna zmalała o 40% przy 4-krotnym wzroście wysokości belki D. Wprowadzenie losowego rozkładu lokalnej wytrzymałości na rozciąganie spowodowało równomierne obniżenie średniej wytrzymałości nominalnej w granicach 10%, niezależnie od wielkości belki.

W belkach betonowych bez nacięcia stwierdzono, że redukcja wytrzymałości nominalnej w analizie deterministycznej jest ograniczona od dołu asymptotą poziomą (Rys.1b). Dalszy spadek wytrzymałości nominalnej towarzyszący wzrostowi wysokości belki D, jest obserwowany w analizie statystycznej (Rys.1b) [3].

Redukcja średniej wytrzymałości jest zależna od długości korelacji l (Rys.2). Długość korelacji jest ściśle związana z odchyleniem standardowym otrzymanych wyników (Rys.2). Im większa długość korelacji tym wyniki mają większe odchyleniE względem wartości średniej. Wartość średnia wytrzymałości nominalnej belki jest także wrażliwa na odchylenie standardowe w zastosowanym rozkładzie Gaussa.

Rys. 2. Wpływ długości korelacji l na wytrzymałość nominalną belki betonowej o wysokości D: a) D=80mm, b) D=1920mm

Rys. 2. Wpływ wysokości belki D na wytrzymałość nominalną: a) belki żelbetowe, b) belki betonowe


34

Literatura[1] BAZANT Z., 1984. Size effect in blunt fracture: concrete, rock, metal. J. Engng. Mech. ASCE, 110:518-35 [2] SYROKA-KOROL, E., TEJCHMAN, J., 2013. Experimental investigations of size effect in reinforced concrete beams failing by shear. Engineering

Structures (w druku)[3] SYROKA-KOROL, E., TEJCHMAN, J. AND MRÓZ, Z., 2012. FE calculations of a deterministic and statistical size effect in concrete under

bending within stochastic elasto-plasticity and non-local softening. Engineering Structures 48:205-219.


35

Dyskretne modelowanie betonu na poziomie kruszywa

Michał NitkaPolitechnika GdańskaGdańsk, [email protected]


Jan KozickiPolitechnika Gdańska Gdańsk, [email protected]

Słowa kluczowe: metoda elementów dyskretnych (DEM), beton, rysy, kruszywo, ściskanie, rozciąganie

1. WstępW celu realistycznego opisu zachowania się mechanicznego zarysowanego 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. Do opisu zależności między mikrostrukturą a zachowaniem się makroskopowym betonu podczas jednoosiowego ściskania i rozciągania zastosowano metodę elementów dyskretnych (DEM) [1]. Metoda ta polega na modelowaniu kruszywa i zaczynu cementowego za pomocą sztywnych elementów dyskretnych, które wchodzą ze sobą w interakcje wg stycznego i normalnego prawa kontaktu. Przyjęto liniowe prawa kontaktu miedzy kulami z uwzględnieniem sprężysto-plastycznego warunku Mohra-Coulomba z kohezją miedzy siłami kontaktu stycznymi i siłami normalnymi.

2.Wyniki numeryczneW obliczeniach DEM dla betonu jako materiału jednofazowego ziarna miały średnicę od 1 mm do 12 mm (współczynnik Poissona dla kontaktu

v=0.2 i moduł Younga dla kontaktu 22 GPa). Kąt tarcia wewnętrznego między ziarnami był równy 30o. Betonowe próbki jednoosiowo ściskane modelowane były w przekroju jako kwadraty o boku 10 cm, natomiast próbki rozciągane miały kształt ‘psiej kości’ o wysokości 15 cm i szerokości 6-10 cm jak w doświadczeniach van Miera i van Vlieta [2], [3]. Wykonano obliczenia 2D (grubość próbki równa grubości jednej warstwy ziaren) i 3D (grubości próbek 10 cm). Kohezja była równa 40 MPa i wytrzymałość na rozciąganie 23 MPa. Wyniki z Rys.1 pokazują, że krzywe naprężenie-odkształcenie numeryczne i doświadczalne są do siebie podobne dla obliczeń 3D, natomiast w obliczeniach 2D odpowiedź betonu jest zbyt krucha, zwłaszcza dla rozciąganie z uwagi na zbyt szybką propagację rysy.kontaktu miedzy kulami z uwzględnieniem sprężysto-plastycznego warunku Mohra-Coulomba z kohezją miedzy siłami kontaktu stycznymi i siłami normalnymi.

Rys. 2. Wpływ wysokości belki D na wytrzymałość nominalną: a) belki żelbetowe, b) belki betonowe

Rys. 2. Krzywe naprężenie-odkształcenie z obliczeń 2D DEM i doświadczeń laboratoryjnych [2], [3]: A) ściskanie jednoosiowe, B) rozciąganie jednoosiowe, a) obliczenia 2D bez strefy przejściowej, b) obliczenia 2D ze strefą przejściową (‘exp’ – doświadczenie)

A)

A)

B)

B)


36

Wyniki obliczeń metodą dyskretną w porównaniu z wynikami doświadczalnymi pokazują, że dyskretne symulacje są niezwykle użytecznymi narzędziami badania zjawisk mikrostrukturalnych zachodzących na poziomie kruszywa i wpływających w zasadniczy sposób 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] VAN MIER J.G.M., “Multiaxial strain-softening of concrete”, Materials & Structures 19, 1986, pp. 179-200.[3] 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.

Rys. 3. Wyniki DEM: a) i b) ewolucja sił kontaktów w czasie testu: a) początek odkształceń, b) stan po osiągnięciu wytrzymałości, c) zarysowanie w próbkach betonowych (A) ściskanie jednoosiowe, B) rozciąganie jednoosiowe)


a)

A)

b)

B) C)

c)

37

Makroskopowe modelowanie betonu w obszarze dynamicznym

Ireneusz MarzecPolitechnika GdańskaGdańsk, [email protected]


Słowa kluczowe: beton, obciążenia dynamiczne, trwałość, zmęczenie

1. WstępBeton, będący jednym z podstawowych materiałów budowlanych, charakteryzuje się bardzo złożonymi właściwościami mechanicznymi, jak

np. wytrzymałość przy ściskaniu i rozciąganiu w sposób zasadniczy zależą od prędkości deformacji. Współczynnik wzrostu wytrzymałości przy ściskaniu może wynosić około 3. Podobną tendencje można zaobserwować dla rozciągania, w tym przypadku wzrost wytrzymałości może być nawet dziesięciokrotny. Zmiana właściwości mechanicznych betonu pod obciążeniem dynamicznym wynika ze zmiany sposobu zniszczenia. Dla małych i średnich prędkości o zniszczeniu decyduje wpływ prędkości rozprzestrzeniania się mikro-pęknięć w betonie. W przypadku dużych prędkości decydujące są siły bezwładności struktury.

Celem podstawowym prowadzonych prac doświadczalno-teoretycznych jest sformułowanie modelunumerycznego do opisu elementów betonowych bez i ze zbrojeniem w szerokim zakresie prędkości obciążeń.

2. Model betonu do obciążeń dynamicznychW ramach prac na modelami numerycznymi stworzono model betonu dla obciążeń dynamicznych (modelsprężysto-plastyczno-lepki) [1],

[2]. Wykorzystano lepkie sformułowanie typu Duvaut–Lions z kryteriumDrucker-Pragera w ściskaniu oraz Rankine’a w rozciąganiu. Lepkość wprowadzona została poprzez aktualizacje naprężeń oraz parametru osłabienia wyznaczonych w obszarze ‘nielepkim’. Jako regularyzację wykorzystano więc lepkość oraz dostawowo teorię nielokalną [2]. W celu weryfikacji modelu wykonano obliczenia numeryczne MES dla próbek jednoosiowo ściskanych i rozciąganych z różną prędkością obciążenia. Obliczenia wykonano z uwzględnieniem sił bezwładność z prędkością odkształceń od ε’ =10-5 1/s do ε’ =102 1/s. Wyniki obliczeń numerycznych porównano z wynikami doświadczalnymi oraz zaleceniami CEB [3] (Rys.1). Uzyskany w obliczeniach wzrost nośności wraz ze wzrostem prędkości obciążenia był jednak niewystarczający w obszarze małych i średnich prędkości. Dla największych prędkości obliczony efekt dynamiczny był znacząco przeszacowany. W obliczeniach badano również wpływ modyfikacji naprężeń w celu uwzględnienia wpływu prędkości obciążenia na rozwój rys, co wpłynęło na poprawę zgodności uzyskanych wyników MES z wynikami doświadczalnymi (symulacje #3a i #3b w Rys.1). W obliczeniach uwzględniono także fragmentację betonu dladużych naprężeń poprzez usuwanie zniszczonych obszarów. Mohra-Coulomba z kohezją miedzy siłami kontaktu stycznymi i siłami normalnymi.

Rys. 1. Wyniki obliczeń dynamicznych z uwzględnieniem sił bezwładności modelem sprężysto- plastyczno- lepkim z nielokalnym osłabieniem (#1) oraz modelem sprężysto- plastycznym z nielokalnym osłabieniem bez modyfikacji naprężeń (#2) oraz z dodatkową modyfikacją naprężeń (#3) dla betonowych próbek ściskanych (A) i rozciąganych (B)


38

4. WnioskiProwadzone prace badawcze mają istotne znaczenie z punktu widzenia pogłębiania wiedzy na temat trwałości elementów betonowych,

ze szczególnym uwzględnieniem obciążeń dynamicznych i ich wpływu na nośność i niezawodność konstrukcji betonowych i zbrojonych. Stworzone modele materiałowe mogą mieć zastosowanie do analizy konstrukcji inżynierski wymagających uwzględnienia efektów dynamicznych i zmęczeniowych oraz ich zachowania w obszarze pokrytycznym – gdzie metodologia normowa jest niewystarczająca.

Literatura[1] 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.[2] MARZEC I., TEJCHMAN J., Computational modelling of concrete behaviour under static and dynamic conditions, Bulletin Of The Polish

Academy Of Sciences Technical Sciences, 61, 1, 85-96, 2013.[3] JAVIER MALVAR, L. and CRAWFORD, J.E., “Dynamic Increase factors for concrete”, Twenty-Eighth DDESB Seminar, Orlando, FL, 1998.

Rys. 2. Wyniki badań zmęczeniowych dla belek betonowych zginanych trzy-punkowo: a) wykresy siła-przemieszczenie oraz przemieszczenie-czas dla typowego testu, b) wykres trwałości zmęczeniowej w zależności od poziomu wytężenia


39

Badanie wpływu mikrostruktury betonu na proces pękania podczas trzy-punktowego zginania

Łukasz SkarżyńskiPolitechnika GdańskaGdańsk, [email protected]


Słowa kluczowe: belka betonowa, lokalizacja odkształceń, metoda elementów skończonych (MES), metoda optyczna, mikrostruktura, technika dwu-skalowa

Proces zarysowania jest fundamentalnym zjawiskiem w materiałach kruchych [1]. Powstanie rys jest zawsze poprzedzone powstaniem strefy lokalizacji odkształceń (mikro rysy), której szerokość w porównaniu z wymiarami przekroju poprzecznego elementu nie jest pomijalna i jest na tyle duża, że może spowodować znaczącą redystrybucję naprężeń [1] a związana z nią energia jest przyczyną występowania efektu skali. W czasie deformacji strefa lokalizacji (mikro rysy) rośnie i stopniowo przechodzi w jedną dominującą rysę propagującą aż do całkowitego zniszczenia. Zatem prawidłowy opis zjawiska lokalizacji odkształceń (szerokość, długość, kształt i rozstaw) jest bardzo istotny w celu zrozumienia ostatecznego zarysowania i zniszczenia elementów jak również zapewnienia bezpieczeństwa i trwałości konstrukcji betonowych i żelbetowych z uwzględnieniem efektu skali.

Określenie geometrii strefy lokalizacji jest także niezwykle ważne w celu kalibracji długości charakterystycznej mikrostruktury materiału, której obecność jest niezbędna w prawach materiałowych do modelowania elementów betonowych i żelbetowych z uwzględnieniem lokalizacji odkształceń [2]. Długość charakterystyczna implementowana jest do modeli konstytutywnych poprzez teorie nielokalne lub gradientowe w celu prawidłowego opisania geometrii stref lokalizacji, otrzymania wyników niezależnych od siatki oraz uchwycenia efektu skali [1], [2], [3]. Ponadto moment przejścia strefy lokalizacji w rysę dyskretną jest kluczowy w połączonych modelach ciągłych-nieciągłych [2], [4].

W celu dokładnego opisu kształtu i szerokości powstających stref lokalizacji, w obliczeniach numerycznych, należy uwzględnić mikro-strukturę materiału. Związane jest to z koniecznością zastosowania bardzo dużej liczby elementów skończonych oraz b. długiego czasu obliczeniowego. Praktycznym rozwiązaniem powyższych problemów jest zastosowanie techniki dwu-skalowej homogenizacji służącej określeniu cech mechanicznych betonu na poziomie skali makro na podstawie informacji uzyskanych z poziomu skali mezo. W naszych analizach zastosowano dwa alternatywne podejścia. W pierwszym z nich beton opisano jako niejednorodny materiał trzyfazowy składający się z cementu, kruszywa i stref przejściowych pomiędzy cementem a kruszywem (ITZ) [5]. Ziarna kruszywa rozmieszczone zostały w zaczynie cementowym stochastycznie, zgodnie z krzywą uziarnienia. Beton modelowany był jako częściowo jednorodny i częściowo niejednorodny (jako materiał trzy-fazowy) w najbliższym sąsiedztwie występowania stref lokalizacji. W drugim podejściu na mezo-strukturę (ziarna kruszywa, strefy kontaktu, zaczyn cementowy) nałożono siatkę elementów skończonych. Właściwości poszczególnych elementów skończonych (moduł sprężystości, początek procesu degradacji) otrzymywano na podstawie uśredniania mezo-struktury (metoda równoważnych mezo-elementów) (Rys. 1). W obu podejściach do opisu lokalizacji odkształceń użyto izotropowego modelu konstytutywnego dla betonu z degradacją sztywności z jednym skalarem zniszczenia. Dla właściwego opisu lokalizacji odkształceń model ciągły rozszerzono o długość charakterystyczną mikrostruktury lc przy zastosowaniu teorii nielokalnej jako metody regularyzacji numerycznej [1, 2].

W celu opisu wpływu zbrojenia na wytrzymałość badanych elementów oraz mechanizm powstawania stref lokalizacji przeprowadzone zostały laboratoryjne testy trzypunktowego zginania. W tym celu wykorzystano 8 różnych mieszanek betonowych różniących się kształtem, ilością i wielkością ziaren kruszywa. Zastosowano zbrojenie ciągłe (pręty stalowe i pręty bazaltowe o średnicy 8 mm) oraz zbrojenie nieciągłe tzw. rozproszone (włókna stalowe i włókna bazaltowe o różnej średnicy i długości). Jednocześnie analizowano wpływ mieszanki betonowej, kształtu ziaren kruszywa, zawartości objętościowej ziaren kruszywa, krzywej uziarnienia.

Szerokość, długość i kształt strefy lokalizacji oraz szerokość rys na powierzchni betonu pomierzono przy użyciu metody korelacji obrazów cyfrowych (DIC), która jest nieinwazyjną, optyczną metodą służącą zobrazowaniu deformacji powierzchni na podstawie analizy zdjęć wykonanych profesjonalnym aparatem cyfrowym [6, 7]. Metoda jest bardzo wrażliwa na przyjęte parametry obliczeniowe. W celu określenia poprawnej szerokości strefy lokalizacji przeprowadzono szereg analiz z różną rozdzielczością zdjęć, wielkością okna pomiarowego i odstępami między

Rys. 1. Metoda równoważnych mezo-elementów


40

oknami pomiarowymi. Szczególną uwagę zwrócono na dokładność i obiektywność pomierzonych przemieszczeń. Zaproponowano oryginalny sposób określenia szerokości strefy lokalizacji na podstawie badań doświadczalnych [7]. Pomierzone profile przemieszczeń (Rys. 2a) z metody DIC aproksymowane są tzw. funkcją błędu, natomiast profile odkształceń (Rys. 2b) rozkładem Gaussa [6].

LiteraturaProwadzone prace badawcze mają istotne znaczenie z punktu widzenia pogłębiania wiedzy na temat trwałości elementów betonowych,

ze szczególnym uwzględnieniem obciążeń dynamicznych i ich wpływu na nośność i niezawodność konstrukcji betonowych i zbrojonych. Stworzone modele materiałowe mogą mieć zastosowanie do analizy konstrukcji inżynierski wymagających uwzględnienia efektów dynamicznych i zmęczeniowych oraz ich zachowania w obszarze pokrytycznym – gdzie metodologia normowa jest niewystarczająca.

Literatura[1] BAŽANT Z. P. and PLANAS J “Fracture and size effect in concrete and other quasi-brittle materials”. CRC Press LLC, Boca Raton, 1998.[2] TEJCHMAN J. and BOBIŃSKI J. “Continuous and discontinuous modeling of fracture in concrete using FEM”. Springer, Berlin-Heidelberg

(eds. W. Wu and R. I. Borja), 2013.[3] PIJAUDER-CABOT G. and BAŽANT Z. P. “Non-local damage theory”. ASCE Journal of Engineering Mechanics, 113, 1512-1533, 1987.[4] BOBIŃSKI J. and TEJCHMAN J. A coupled continuous-discontinuous approach to concrete elements. Proc. Int. Conf. Fracture Mechanics of

Concrete and Concrete Structures FraMCoS-8 (eds.: J. G. M. van Mier, G. Ruiz, C. Andrade, R. C. Yu, X. X. Zhang), 2013.[5] SKARŻYŃSKI Ł. and 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.[6] SKARŻYŃSKI Ł., KOZICKI J. and TEJCHMAN J. “Application of DIC technique to concrete - study on objectivity of measured surface

displacements”. Experimental Mechanics, doi: 10.1007/s11340-013-9781-y, 2013.[7] SKARŻYŃSKI Ł. and TEJCHMAN J. “Experimental investigations of fracture process in plain and reinforced concrete beams under bending”.

Strain, doi: 10.1111/str.12064, 2013.

Rys. 2. Metoda DIC [5]: a) poziome profile przemieszczeń i b) odkształceń w poprzek strefy lokalizacji nad nacięciem w belce betonowej dla różnych wielkości okna pomiarowego (rozdzielczość zdjęć 90 pikseli/mm, odstęp między oknami pomiarowymi 15 pikseli)


41

Diagnostyka ultradźwiękowa z zastosowaniem intermodulacji drganiami niskiej częstotliwości.

Badania parametryczne.

Błażej MeronkPolitechnika GdańskaGdańsk, [email protected]

Krzysztof WildePolitechnika Gdańska Gdańsk, [email protected]

Słowa kluczowe: diagnostyka ultradźwiękowa, akustyka nieliniowa, elementy betonowe, badania nieniszczące

1. Cel pracyCelem pracy są badania eksperymentalne zastosowania zjawiska modulacji fal ultradźwiękowych drganiami niskich częstotliwości w celu

diagnostyki nieniszczącej uszkodzonych obszarów elementów żelbetowych. Zjawisko modulacji występuje w obszarach o silnie nieliniowych zależnościach odkształcenie naprężenie. Uszkodzenia w postaci zarysowań, stref mikro spękań oraz strefy poddane korozji chemicznej powodują lokalne nieliniowe zachowanie materiału. Efekt modulacji fali ultradźwiękowej można obrazowo przedstawić jak skutek otwierania się i zamykania rys w trakcie drgań elementu. [1, 2, 3]. Głównym celem badań jest powiązanie parametrów wynikających z analizy zarejestrowanego sygnału ultradźwiękowego z wielkością uszkodzeń w badanym elemencie.

2. Stanowisko badawczeNa stanowisku badawczym próbki żelbetowe są poddawane działaniu obciążenia statycznego oraz obciążenia dynamicznego przy

jednoczesnej, periodycznej transmisji i detekcji fal ultradźwiękowych. Obciążenie statyczne w postaci stopniowo zwiększanej siły skupionej posłużyło do kontrolowanego zarysowania belki i utrzymywania stanu rozwarcia rys. Obciążenie dynamiczne zostało wymuszone wzbudnikiem elektromagnetycznym w celu wprowadzenia elementu w drgania o ustalonej częstotliwości. Drgania były wystarczająco słabe by nie powodować pogłębiania uszkodzeń. Układ urządzeń części ultradźwiękowej składał się z wzbudnika piezoelektrycznego zasilanego napięciem o częstotliwości 58kHz oraz czterech szerokopasmowych sensorów połączonych z urządzeniem rejestrującym.

Badania przeprowadzono na płytach żelbetowych o wymiarach 170x30x80cm zbrojonych podłużnie dołem czterema prętami średnicy 6mm. Element był obciążany w schemacie belki wolnopodpartej. Serie transmisji i rejestracji fal ultradźwiękowych były wykonywane po każdym zwiększeniu obciążenia, a także przy stopniowym zdejmowaniu obciążenia. Przeprowadzono pomiary dla różnych częstotliwości i amplitud drgań. Rejestrowano jednocześnie fale ultradźwiękowe propagujące wzdłuż próbki jak i poziom amplitud przyspieszeń spowodowanych drganiami niskoczęstotliwościowymi.

3. Analiza wynikówCelem analizy wyników było wykrycie modulacji zarejestrowanego sygnału ultradźwiękowego. Posłużono się analizą w dziedzinie częstotliwości.

Przy odpowiednio dobranych parametrach rejestracji sygnałów – odpowiednia długość zapisu oraz częstotliwość próbkowania, uzyskano wysoką rozdzielczość na osi częstotliwości. Uwidocznione zostały szczegóły wstęg bocznych spektrum, gdzie zaobserwowano charakterystyczne dla sygnału modulowanego amplitudowo, przesunięcia głównej fali nośnej (58kHz) o wielokrotności częstotliwości modulującej, czyli częstotliwości drgań. Amplitudy tych dodatkowych ekstremów na widmie częstotliwościowym zwiększają się wraz z powiększaniem się strefy zarysowanej.

4. WnioskiBadania eksperymentalne potwierdziły możliwość wykorzystania zjawiska inter-modulacji fal ultradźwiękowych drganiami niskiej

częstotliwości w detekcji uszkodzeń elementów żelbetowych. Eksperymentalnie potwierdzono zależność pomiędzy wielkością strefy zarysowania a poziomem modulacji sygnału pomiarowego.


42

Literatura[1] CHEN X., WANG Y., Experimental and numerical study on microcrack detection using contact nonlinear acoustics, Front. Archit. Civ. Eng.

China 2009, 3(2): 137–141.[2] PARSONS Z., STASZEWSKI W. J., Nonlinear acoustics with low-profile piezoceramic excitation for crack detection in metallic structures, Smart

Mater. Struct. 15 (2006) 1110–1118.[3] DIDENKULOV I., SUTIN A., Interaction of sound and vibrations in concrete with cracks, AIP Conference, 2000.[4] MERONK B., WILDE K., Diagnostyka zginanej płyty betonowej z zastosowaniem fal ultradźwiękowych modulowanych drganiami niskich

częstotliwości, 59 Konferencja Naukowa KILiW i KN PZITB „Krynica 2013”

Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego

Rys. 9. Spektra częstotliwościowe dla próbki niezarysowanej i z pojedynczą rysą 15 mm dla częstotliwości drgań 80 Hz [4]


43

Monitoring ultradźwiękowy stref mikropęknięć w elementach betonowych

Magdalena RuckaPolitechnika GdańskaGdańsk, [email protected]


Słowa kluczowe: diagnostyka uszkodzeń, propagacja fal, badania nieniszczące

1. Cel pracyCelem badań jest opracowanie metody monitoringu ultradźwiękowego elementów betonowych, w których zachodzi zjawisko pękania betonu

(ang. splitting failure) [1, 2]. Przeprowadzone badania eksperymentalne dotyczyły zjawiska propagacji fali ultradźwiękowej w elemencie betonowym poddanym jednoczesnej degradacji mechanicznej w procesie rozciągania.

Badany element to prostopadłościan z prętem stalowym umieszczonym centralnie (rys. 1). Na skutek przyłożenia siły rozciągającej do pręta w pierwszej fazie zniszczenia powstają promieniowe mikropęknięcia wokół pręta stalowego. Zewnętrzna bryła nieuszkodzonego betonu stanowi zabezpieczenie przed pęknięciem próbki. Wraz ze wzrostem obciążenia, strefa nieuszkodzona zmniejsza się, aż do pojawienia się głębokich rys przechodzących przez całą szerokość próbki. Celem metody jest wykrycie stref mikropęknięć przez powstaniem głównego pęknięcia prowadzącego do uszkodzenia próbki.

2. Badania eksperymentalneBadania eksperymentalne prowadzono na próbkach prostopadłościennych o wymiarach 70 x 15 x 5 cm (rys. 2). Próbki wykonano z betony klasy

C20/25. W próbce znajdował się żebrowany pręt zbrojeniowy średnicy 8 mm. W pręcie wykonano 8 nacięć w uniknięcia zerwania pręta poza bryłą betonu oraz wywołania możliwie dużej strefy uszkodzenia.

Próbka betonowa została umieszczona w maszynie wytrzymałościowej (rys. 3) i poddana procesowi rozciągania z prędkością 0,5 mm/min. W trakcie degradacji mechanicznej przeprowadzono ciągły monitoring ultradźwiękowy. Do wzbudzania fal sprężystych zastosowano wzbudnik piezoelektryczny zamocowany jednej strony próbki (rys. 2). Do odbioru fali ultradźwiękowej służyły przetworniki piezoelektryczne zamocowane po obu stronach próbki (odbiorniki A oraz B na rys. 2). Na rys. 4 pokazano zależność siły od przemieszczenia. Próba rozciągania trwała 1770 s, w jej trakcie wykonano n = 119 pomiarów ultradźwiękowych w interwałach 15 s.

3. Analiza wynikówZebrane sygnały ultradźwiękowe poddano analizie częstotliwościowej z zastosowaniem widmowej gęstości mocy. Wyniki przedstawiono na

rys. 5 w formie map. Na mapy naniesiono moment pojawienia się pierwszej rysy pionowej oraz pierwszej rysy poziomej. W przypadku sygnałów zarejestrowanych za pomocą odbiornika B, widoczny jest nagły spadek wartości amplitud w momencie pojawienia się pierwszej rysy pionowej. Sygnał zarejestrowany przez odbiornik A ma stałą wartość amplitudy z powodu bliskości wzbudnika. Jednakże w momencie pojawienia się pierwszej rysy pionowej następuje nagły spadek wartości amplitudy spowodowany powiększeniem strefy mikropęknięć, aż do momentu pojawienia się pęknięcia poziomego powodującego lokalne zamknięcie rys w strefie mikropęknięć.

4. Uwagi końcoweW pracy przedstawiono metodę monitoringu elementów betonowych poddanych degradacji mechanicznej. Metoda umożliwiła detekcję stref

mikropęknięć tuż przed powstaniem rys na podstawie analizy częstotliwościowej zarejestrowanych sygnałów ultradźwiękowych.

Rys. 1. Badana próbka betonowa poddana rozciąganiu oraz proces powstawania mikropęknięć

Rys. 2. Geometria badanej próbki


44

Literatura[1] Ogura N., Bolander J.E., Ichinose T., Analysis of bond splitting failure of deformed bars within structural concrete, Engineering Structures 30

(2008) 428-435.[2] Gálvez J.C., Benítez J.M., Tork B., Casati M.J., Cendón D.A., Splitting failure of precast prestressed concrete during the release of the prestressing

force, Engineering Failure Analysis 16 (2009) 2618-2634.[3] RUCKA M., WILDE K.: Experimental study on ultrasonic monitoring of splitting failure in reinforced concrete. Journal of Nondestructive

Evaluation, DOI 10.1007/s10921-013-0191-y.

Rys. 3. Stanowisko pomiarowe Rys. 4. Krzywa siła-ugięcie (P-u) oraz siła-czas (P-t) uzyskana w procesie rozciągania

Rys. 5. Mapy funkcji gęstości widmowej uzyskane dla różnych poziomów obciążenia: a) sygnały zarejestrowane przez odbiornik A ; b) sygnały zarejestrowane przez odbiornik B


45

Diagnostyka ultradźwiękowa zginanych elementów betonowych

Magdalena RuckaPolitechnika GdańskaGdańsk, [email protected]


Aleksandra MariakPolitechnika Gdańska Gdańsk, [email protected]

Słowa kluczowe: diagnostyka uszkodzeń, propagacja fal, badania nieniszczące

1. Badania esperymentalneIstotą badań jest opracowanie metody diagnostyki ultradźwiękowej elementów betonowych, które uległy wewnętrznym mikropęknięciom

prowadzącym, na etapie eksploatacji, do widocznych uszkodzeń [1]. Badania ukierunkowano na zastosowanie techniki nieniszczącej do oceny stanu technicznego elementów konstrukcji obiektów mostowych. Wykonane próby laboratoryjne bazowały na zjawisku propagacji ultradźwiękowej paczki falowej przez belkę poddaną jednoczesnemu zginaniu siłą skupioną w środku rozpiętości.

Badania przeprowadzono na dwóch typach belek o różnych polach przekroju poprzecznego: 10 x 10 cm oraz 10 x12 cm (rys. 1). Próbki wykonano z betonu klasy C20/25. Zbrojenie stanowiły dwa pręty 6 usytuowane symetrycznie w strefie rozciąganej przekroju. Belkę umieszczono w maszynie wytrzymałościowej w schemacie belki swobodnie podpartej (rys. 2). Rozstaw podpór w trakcie zginania wynosił 40 cm. Obciążenie siłą skupioną zwiększało się z prędkością 0,25 mm/ min. W trakcie obciążania wzbudnik piezoelektryczny przymocowany po jednej stronie belki generował paczkę falową o częstotliwości równej 100 kHz. Zastosowano metodę przepuszczania, polegającą na wzbudzeniu fali z jednej strony i pomiarze sygnałów po przejściu przez belkę po stronie przeciwnej. Do odbioru użyto czujniki piezoelektryczne odległe od siebie o długość belki równą 50 cm. Sygnał ultradźwiękowy generowany był co 15 sekund, czemu towarzyszyły równocześnie wykonywane zdjęcia. Testy przerywano w momencie uzyskania 30% spadku wartości maksymalnej siły. Wykres zależności siły od przemieszczenia przedstawiono na rys. 3. Dla próbki o przekroju kwadratowym czas trwania obciążenia wynosił 930 s przy pomiarze numer 63, a dla próbki o przekroju prostokątnym odpowiednio 765 s przy pomiarze numer 52.

Zarejestrowane sygnały poddano analizie w dziedzinie częstotliwości. Wybrane wyniki zaprezentowano na rys. 4. W początkowej fazie trwania eksperymentu na widmie częstotliwościowym zaobserwowano wyraźne piki o znacznych amplitudach. Dowodzi to, że fala sprężysta przechodziła przez strefy nieuszkodzone. Każdy, kolejny pomiar charakteryzował się spadkiem amplitud, co stanowiło informację o pojawieniu się stref mikropęknięć niezauważalnych w bezpośrednich badaniach wizualnych. W końcowej fazie doświadczenia zaobserwowano wyraźny spadek amplitud na skutek spękania betonu.

2. Badania numeryczneW celu poznania zjawiska propagacji fali sprężystej w belce mostowej, analizie poddano prefabrykat Kujan NG18 o geometrii przedstawionej

na rys. 5. W programie Abaqus sporządzono model belki w płaskim stanie odkształcenia. Zastosowano typ elementu skończonego o kodzie CPE4 i siatkę dyskretyzacyjną o rozmiarze globalnym 1 mm. Materiał stanowił beton C40/50 o module sprężystości E=39*109 Pa, współczynniku Poissona v=0,1 oraz gęstości ρ=2500 kg/m3. Zadano obciążenie paczką falową o częstotliwości f= 100 kHz w miejscu praktycznie dostępnym dla tego typu ustroju nośnego. Sporządzono dwa modele, belkę nieuszkodzoną i belkę z defektem usytuowanym w pobliżu miejsca przyłożenia obciążenia.

Rezultaty symulacji numerycznych przedstawiono na rys. 6. Rozchodzenie się paczki falowej jest zupełnie różne dla obu przypadków, szczególnie w pierwszych krokach czasowych. Wprowadzenie uszkodzenia powoduje, że falka skupia sie wyłącznie pod defektem, a nie odbija się od sąsiednich krawędzi. Znajomość prędkości i czasu przejścia falki pozwala wprost na lokalizację uszkodzenia. W celu porównania sygnałów nałożono otrzymane wykresy w dziedzinie czasu i częstotliwości. Dla belki uszkodzonej zaobserwowano zdecydowanie mniejsze amplitudy przyspieszeń i dwukrotnie większy okres, co skutkowało uzyskaniem wyraźnego piku o częstotliwości 48 kHz. Odpowiada to odbiciu na głębokości ok. 4 cm czyli dokładnie w miejscu występowania defektu. Przykład ten odzwierciedla działanie metody impact echo i potwierdza jej skuteczność. Symulacje numeryczne przeprowadzone w programie Abaqus wykazały, że jest możliwa poprawna analiza elementów dwuwymiarowych pod obciążeniem paczką falową.

3. Uwagi końcoweW pracy przedstawiono badania eksperymentalne i numeryczne wykorzystujące zjawisko ultradźwięków do oceny stanu technicznego

elementów betonowych. Opracowana metoda pozwala na wykrycie mikrospękań na podstawie analizy częstotliwościowej zarejestrowanych sygnałów.pęknięcia poziomego powodującego lokalne zamknięcie rys w strefie mikropęknięć.

Rys. 1. Geometria badanych próbek Rys. 2. Próbka na stanowisku pomiarowym


46

Literatura[1] RUCKA M., WILDE K.: Experimental study on ultrasonic monitoring of splitting failure in reinforced concrete. Journal of Nondestructive

Evaluation, DOI 10.1007/s10921-013-0191-y.

Rys. 3. Wykres siła- przemieszczenie dla próbki kwadratowej

Rys. 3. Wykres siła- przemieszczenie dla próbki kwadratowej

Rys. 5. Przebieg paczki falowej dla belki nieuszkodzonej i belki z defektem

Rys. 4. Zarejestrowane sygnały pomiarowe- odbiornik B


47

Symulacje propagacji fal w belce betonowej zbrojonej z prostym opisem degradacji

Stanisław Burzyński Politechnika GdańskaGdańsk, [email protected]

Jacek ChróścielewskiPolitechnika Gdańska Gdańsk, [email protected]

Wojciech WitkowskiPolitechnika Gdańska Gdańsk, [email protected]

Słowa kluczowe: diagnostyka uszkodzeń, propagacja fal, badania nieniszczące, elementy spektralne

1. Cel pracyW badaniach podjęto próbę oceny przydatności elementarnych modeli degradacji betonu zbrojonego do bezinwazyjnej diagnostyki przy

pomocy ultradźwiękowych fal prowadzonych. W analizie wykorzystuje się własne programy Metody Elementów Skończonych. Zaimplementowane zostały wielowęzłowe elementy skończone klasy C0 do dyskretyzacji betonu trójwymiarowe ,,bryłowe”, oraz jednowymiarowe ,,kratowe” [1] do opisu zbrojenia. Zasadniczym punktem formułowania tych elementów jest zastosowanie całkowania ich związków macierzowych przy pomocy kwadratury Lobatto i przyjęcie w elemencie macierzystym oraz we wszystkich fizycznych rozkładu węzłów interpolacyjnych odpowiadającego układowi punktów całkowania tej kwadratury, por. [1, 3]. W efekcie uzyskuje się dalece pożądaną diagonalną formę konsystentnej macierzy mas unikając jednocześnie bardzo niekorzystnego tzw. efektu Rungego, który występuje przy nieodpowiednim doborze kwadratur do całkowania wielomianów wysokiego rzędu. Formułowane na tej podstawie elementy skończone można spotkać w literaturze pod nazwą elementów spektralnych (np. [2]). Założono, że między stalą i betonem istnieje idealne połączenie. W badaniach degradację modelowano wprowadzając tylko zmiany w przestrzennym rozkładzie modułu sprężystości betonu, przy czym w trakcie badania wpływu wartości zredukowanego modułu dla hipotetycznie zdegradowanego betonu pozostawały stałe tj. nie rozpatrywano ewolucji zniszczenia. Jest to pewne uproszczenie, jednak z punktu widzenia diagnostyki uzasadnione – badanie przy pomocy fal ultradźwiękowych prowadzone jest zwykle w stanie zastanym konstrukcji, w której doszło już do niepożądanych uszkodzeń. Degradację betonu modelowano na dwa sposoby. Pierwsze podejście tzw. „silne” polega na redukcji ,,skokowej” modułu sprężystości w obrębie wytypowanego rzędu elementów skończonych co może odpowiadać rysie ukształtowanej w skali makro. W drugim sposobie „rozmytym” redukuje się moduł funkcyjnie w pewnym obszarze belki. W ten sposób symulowano strefę mikropęknięć betonu. W każdym z przypadku moduł sprężystości stali pozostaje niezmieniony. Całkowanie równań ruchu przeprowadzono przy pomocy algorytmu przedstawionego w pracy [2].

2. Symulacje numeryczneBadania prowadzono w belce o wymiarach 50×15×10 cm (rys. 1),

dla której przyjęto E0 = 30 GPa (materiał niezdegradowany) v = 0,16; ρ = 2300 kg/m3. Założono współczynnik tłumienia proporcjonalnego do masy o wartości 3000s−1. Przyjęto, że belka jest zbrojona dwoma prętami φ = 10 mm, rozmieszczonymi jak na rys. 1 o parametrach Es = 205 GPa, vs = 0,3; ρs = 7850 kg/m3. Przykładowe strefy degradacji przedstawiono na rys. 2. Impuls dynamiczny realizowano w punkcie „wzbudnik W”, a odczyt przyspieszenia rejestrowany był w punktach pomiarowych A i B. Do dyskretyzacji belki użyto 40×12×8 (odpowiednio do wymiarów belki 50×15×10 cm) 7×7×7 węzłowych elementów przestrzennych oraz po 40 7-węzłowych kratowych elementów dla każdego pręta zbrojenia. Równanie ruchu całkowano z krokiem czasowym dt = 10−7s.

3. Przykładowe wyniki analizy, wnioskiNa rys. 3 przedstawiono ewolucje przyspieszeń zarejestrowane w punkcie pomiarowym B. Na wszystkich rysunkach ustalony jest ten sam zakres

obu osi współrzędnych. Pionową linią przerywaną zaznaczono czas pierwszego dojścia fali do punktu B, a przerywana krzywa opisuje przyspieszenia uzyskane w belce bez degradacji. Z wykresów wynika, że niezależnie od przyjętych obszarów, skali i typu degradacji betonu, czas ten jest zbliżony dla wszystkich przedstawionych na rys. 2 przypadków. Z porównania rys. 3a i 3b widać znaczący spadek amplitud w belce z dwoma wyraźnie wyodrębnionymi strefami degradacji (b) w porównaniu z belką z jedną strefą (a). Występowanie trzech dyskretnych rys (rys. 3b belka z dwoma strefami degradacji i 3d belka z dwoma strefami degradacji i trzema rysami) powoduje spadek wartości amplitud począwszy od czasu t ≈ 0,0004 s.

Rys. 1. Lokalizacja punktów pomiarowych i wzbudnika


48

Literatura[1] Chróścielewski J., Rucka M., Wilde K., Witkowski W., Formulation of spectral truss element for guided waves damage detection in spatial steel

trusses. Archives of Civil Engineering, LV, 1, 2009, 43-63.[2] Patera T., A spectral element method for fluid dynamics: laminar flow in a channel expansion. J. Comput. Phys. 54, 1984, 468–488.[3] Witkowski W., Rucka M., Chróścielewski J., Wilde K., On some properties of 2D spectral inite elements in problems of wave propagation. Finite

Elements in Analysis and Design, 55, 2012, 31-41.

Rys. 2. Przykładowe sposoby opisu stref odpowiadających hipotetycznym obszarom degradacji betonu

Rys. 3. Ewolucja przyspieszenia w punkcie B w zależności od założonej strefy degradacji, por. rys 2


49

Chemo-higro-termo-mechaniczny model do analizy stanu konstrukcji betonowych w różnych warunkach

środowiska zewnętrznegoDariusz GawinPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Marcin KoniorczykPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Arkadiusz WitekPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Witold GryminPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Marek JabłońskiPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Słowa kluczowe: procesy chemo-higro-termo-mechaniczne, model matematyczny, masywne konstrukcje betonowe, dojrzewanie betonu, degradacja chemiczna, wysoka temperatura

1. Wprowadzenie i zakres badańPrzedstawiono model matematyczny niestacjonarnych zjawisk cieplno-wilgotnościowych i fizyko-chemicznych oraz wywołanych

nimi odkształceń/naprężeń betonu, poddanego działaniu zmiennych w czasie warunków śro-dowiska zewnętrznego. Umożliwia on analizę stanu konstrukcji betonowych podczas kolejnych faz ich “życia”, od dojrzewania, poprzez eksploatację w zmiennych w czasie warunkach środowiskowych, w tym agresywnych chemicznie i podwyższonej temperatury, aż po sytuacje awaryjne (np. pożar). Procesy degradacji chemicznej i termicznej modelowane są za pomocą odpowiednich równań ewolucji, opisujących kinetykę procesu, dzięki czemu możliwa jest analiza konstrukcji w warunkach zmiennej temperatury i stanu wilgotnościowego. Degradacja właściwości wytrzymałościowych betonu modelowana jest za pomocą izotropowej, nielokalnej teorii zniszczenia. Model został zwalidowany przez porównanie z wynikami badań doświadczalnych. Uzyskane wyniki badań zostały opublikowane w pracach [1 - 13].

2. Badania teoretyczneBadania teoretyczne obejmowały sformułowanie ogólnego modelu matematycznego niestacjonarnych zjawisk chemo-higro-termo-

mechanicznych i degradacji właściwości wytrzymałościowych w cementowych materiałach budowlanych, traktowanych jako wielofazowe ośrodki porowate [1]. Model ten tworzą równania bilansu masy wody, gazu i soli, bilans entalpii ośrodka i równanie jego równowagi mechanicznej, oraz równania ewolucji procesów degradacji chemicznej, termicznej i mechanicznej (powstawanie rys). Degradacja właściwości wytrzymałościowych wskutek procesów chemicznych, termicznych i powstawania rys modelowana jest za pomocą odpowiednio zmodyfikowanej nielokalnej teorii zniszczenia. Model może być zastosowany do analizy stanu cieplno-wilgotnościowego i odkształceń dojrzewających elementów betonowych [2 - 5], degradacji che-micznej wskutek reakcji alkalia-krzemionka [6 - 7] i krystalizacji soli [8 - 11], oraz degradacji termo-chemicznej w warunkach pożarowych [12 - 13]. Równania różniczkowe modelu rozwiązano numerycznie i opracowano autorski program komputerowy HMTRA, pozwalający na prowadzenie analiz konstrukcji budowlanych w zmiennych w czasie warunkach środowiska zewnętrznego (temperatura, wilgotność względna, czynniki che-miczne). Model numeryczny został zwalidowany dla rozpatrywanych procesów przez porównanie z wynikami badań doświadczalnych [2 - 13].

3. Badania doświadczalne Przeprowadzono badania laboratoryjne o bardzo szerokim zakresie, które obejmowały pomiar ciepła hydratacji w izotermicznym kalorymetrze,

dla różnych cementów w kilku temperaturach, analizę zmian struktury porów oraz właściwości termicznych i wytrzymałościowych zaczynów cementowych i betonów podczas ich dojrze-wania [3 - 4]. Na tej podstawie opracowano inteligentną bazę danych, generującą parametry modelu matema-tycznego, opisującego przebieg procesu hydratacji mieszanek betonowych o różnym składzie, w różnych warunkach temperaturowych. Podobne badania wykonano dla materiałów, poddanych degradacji chemicznej wskutek krystalizacji soli [8 - 11] oraz termo-chemicznej wskutek działania wysokiej temperatury [12 - 13]. Wyniki tych badań posłużyły do zdefiniowania parametrów materiałowych potrzebnych podczas numerycznych symulacji zachowania konstrukcji w różnych warunkach środowiskowych. Na Rys. 1 pokazano przykładowe porównanie pomiarów odkształceń wywołanych reakcją alkalia-krzemionka z wynikami symulacji kompute-rowych.

Rys. 1. Porównanie wyników badań doświadczalnych odkształceń wywołanych reakcją alkalia-krzemionka w różnych stanach zawilgocenia (a) i w różnej temperaturze (b) z wynikami symulacji komputerowych [6].


50

Literatura[1] D. Gawin, M. Koniorczyk, F. Pesavento, “Modelling of hydro-thermo-chemo-mechanical phenomena in building materials”, Bulletin of The

Polish Academy of Sciences: Technical Sciences, Vol. 61, Nr. 1, 2013, ss. 51-63.[2] M. Wyrzykowski, D. Gawin, “Modelling and experimental study of hydration for ordinary Portland cement”, Architecture, Civil Engineering,

Environment - ACEE Journal, Vol. 3, Nr.3, 2010, ss. 45-54.[3] M. Wyrzykowski, D. Gawin, “Dwuskalowe modelowanie zjawisk cieplno-wilgotnościowych podczas dojrzewania betonu zawierającego SAP

nasycone wodą”, Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce, Vol. 5, Nr 2, 2010, ss. 71-77.[4] I. Gawęda, M. Jabłoński, D. Gawin, “Weryfikacja eksperymentalna modelu matematycznego hydratacji cementu”, Fizyka Budowli w Teorii i

Praktyce, Vol. VI, Nr 1, 2011, ss. 41-46. [5] M. Wyrzykowski, P. Lura, F. Pesavento, D. Gawin, “Modeling of internal curing in maturing mortar”, Cement and Concrete Research, Vol. 41,

Nr. 12, 2011, 1349-1356.[6] D. Gawin, M. Wyrzykowski, W. Grymin, F. Pesavento, “Modelling strains of concrete exposed to alkali-silica reaction in variable hygro-thermal

conditions”, Architecture, Civil Engineering, Environment - ACEE Journal, Vol. 4, Nr. 3, 2011, ss. 43-54.[7] F. Pesavento, D. Gawin, M. Wyrzykowski, B.A. Schrefler, L. Simoni, “Modeling alkali-silica reaction in non-isothermal, partially saturated

cement based materials”, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 225-228, 2012, ss. 95-115.[8] M. Koniorczyk, W. Grymin, P. Konca, D. Gawin, “Transport i krystalizacja wybranych soli podczas wysychania materiałów budowlanych”,

Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, Nr. 283, Seria: Bu-downictwo i Inżynieria Środowiska, Z. 59, 2012, ss. 25-32. [9] M. Koniorczyk, D. Gawin, “Numerical modeling of salt transport and precipitation in non-isothermal partially saturated porous media

considering kinetics of salt phase changes”, Transport in Porous Media, Vol. 87, Nr. 1, 2011, ss. 57-76.[10] M. Koniorczyk, D. Gawin, “Modelling of salt crystallization in building materials with microstructure - poromechanical approach”, Construction

and Building Materials, Vol. 36, 2012, ss. 860-873.[11] M. Koniorczyk, Transport i krystalizacja soli w materiałach budowlanych, Zeszyty Naukowe Nr. 1150, Wyd. Politechniki Łódzkiej, Łódź 2013.[12] D. Gawin, Procesy degradacji mikrostruktury kompozytów cementowych w wysokiej temperaturze, Seria Studia z Zakresu Inżynierii Nr. 69,

Wyd. Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN, Warszawa 2010.[13] D. Gawin, F. Pesavento, “An overview of modeling cement based materials at elevated temperatures with mechanics of multi-phase porous

media”, Fire Technology, Vol. 48, 2012, ss. 753-793.


51

E-monitoring elementów konstrukcji w fazie ich wykonania i eksploatacji

Radosław Walendziak Politechnika Łódzka Łódź, Polandradosł[email protected]

Bogdan CzkwianiancPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Słowa kluczowe: monitoring, beton, konstrukcje masywne

1. Wprowadzenie1.1 Monitoring na placu budowy

Poziom zaawansowania technologii w budownictwie z dziadziny elektroniki i informatyki pozwala na pomiary niezbędne do oceny stanu konstrukcji „in situ” na obiekcie, a następnie na odczyt i analizę zebranych danych w sposób ciągły podczas procesów jej wznoszenia, jak i w trakcie późniejszej eksploatacji. Daje to możliwości wczesnego wykrycia potencjalnego zagrożenia oraz po analizie zebranych informacji, sposobu minimalizacji lub wyeliminowania zaistniałego problemu.

Szczególnym przypadkiem konstrukcji inżynierskich, w których proces realizacji i nadzoru jest niezmiernie ważny są betonowe konstrukcje masywne. Z uwagi na to że są to z reguły elementy obiektów o wysokiej odpowiedzialności, wprowadzenie monitoringu wpływa na minimalizację potencjalnych zagrożeń bezpośrednio na placu budowy.

Opracowany przez pracowników PŁ system e-monitoringu zapewnia dostęp do rejestrowanych danych w czasie rzeczywistym bez konieczności obecności na placu budowy. Z uwagi na dostęp do danych „on line”, miejsce weryfikacji i kontroli wyników pomiarów może być wybrane dowolnie. Analiza zebranych informacji daje możliwość bezpośredniego reagowania w przypadku stwierdzenia odczytów przekraczających wielkości zakładane lub mogących doprowadzić do ich przekroczenia w przyszłości. Pozwala to na szybkie podjęcie ewentualnych decyzji. Zalety e-monitoringu to:

- szybki dostęp do danych w każdym miejscu, - bezpośredni odczyt informacji, - wczesne reagowanie na ewentualne zagrożenia, - możliwość przekazania informacji uczestnikom procesu budowlanego.

Opracowany przez zespół pracowników Politechniki Łódzkiej system e-monitoringu, w skład którego wchodzi aparatura pomiarowa i oprogramowanie do śledzenia i analizy zebranych danych skupia się na pomiarach odkształceń oraz temperatury wewnątrz konstrukcji betonowej. System do e-monitoringu składa się z dowolnej liczby terminali z których każdy wyposażony jest w modem GSM oraz układy elektroniczne umożliwiające równoczesne wykonywanie pomiarów z kilku czujników. Wyniki pomiarów są transmitowane poprzez sieć GSM do głównego serwera sieci internetowej Wydziału Budownictwa PŁ, na którym zainstalowany jest program serwera, który zapewnia obsługę systemu. Zaletą opracowanego systemu jest bezprzewodowa akwizycja danych z każdego terminala pomiarowego do serwera, czyli możliwość gromadzenia i odczytu danych w dowolnym miejscu.

2. Opis aparatury pomiarowej2.1 Monitoring na placu budowy

W chwili obecnej pomiar odkształceń betonu realizowany jest w oparciu o dwa zjawiska fizyczne. Jest to zjawisko zmiany rezystancji lub zmiany częstotliwości własnej, następujące pod wpływem zmian naprężeń w aktywnym elemencie czujnika. W związku z tym czujniki powszechnie stosowane i dostępne w ofercie handlowej można podzielić ze względu na zasadę działania na dwie zasadnicze grupy:

- czujniki rezystancyjne (oporowe), - czujniki strunowe

Pomimo różnych elementów aktywnych czujniki te mają podobną konstrukcję mechaniczną obudowy i wygląd zewnętrzny. Stwierdzono, że czujniki w których zastosowano tensometry oporowe, charakteryzują się większą stabilnością temperaturową, a co za tym idzie lepiej nadają się do pomiarów bardzo niewielkich odkształceń w warunkach zmiennych temperatur. Po przeglądzie możliwych rozwiązań oraz wykonaniu wstępnych badań samych przetworników pomiarowych przyjęto do opracowania model czujnika z przetwornikiem bezstykowym (wiroprądowym). Spełnia on założenia projektowe oraz charakteryzuje się wysoką stabilność temperaturową.

2.2 System pomiaru temperatury wewnątrz konstrukcjiZ punktu widzenia procesów termicznych zachodzących wewnątrz elementu w wyniku samoocieplania betonu w procesie wiązania cementu,

istotna jest ciągła kontrola temperatury. Monitoring termiczny dojrzewającego betonu ma na celu kontrolę temperatury w konstrukcji oraz identyfikację obszarów potencjalnie narażonych na niekorzystne naprężenia termiczne. System pomiaru temperatury składa się z terminala oraz z sześciu czujników temperatury. Każdy terminal zasilany jest własnym akumulatorem co zapewnia mu możliwość działania przez określony czas zależny od częstotliwości transmisji bez konieczności zewnętrznego zasilania. Zastosowanie ogniw baterii słonecznych eliminuje potrzebę zewnętrznego zasilania podczas pracy terminala, ogniwo słoneczne doładowujące akumulator w przypadku gdy natężenie światła padającego na fotoelement przekracza pewien minimalny poziom.

3. Realizacje3.1 Betonowanie ustroju nośnego mostu drogowego MA-38 w ciągu autostrady A4

Zadanie wykonano w ramach umowy pomiędzy wykonawcą obiektu tj. firmą Polimex Mostostal, a Politechniką Łódzką w zakresie monitoringu termicznego betonowego ustroju nośnego mostu drogowego MA-38 w ciągu autostrady A4 na odcinku od węzła Szarów do węzła Brzesko w km


52

455+900 do 479+000, fot. 1. Prace przy budowie ustroju nośnego mostu MA-38 realizowane były w okresie od lipca do października 2011 r. Zadanie obejmowało dwa oddzielne etapy - etap I, jezdnia prawa ustroju, etap II jezdnia lewa ustroju.

3.2 Most drogowy przez rzekę Wisłę w ciągu drogi krajowej nr 1 w ToruniuZadanie wykonano w ramach umowy pomiędzy generalnym wykonawcą obiektu firmą Strabag, a Politechniką Łódzka w zakresie monitoringu

termicznego masywnych elementów podpór ustroju nośnego mostu drogowego tj. betonowych fundamentów podpór mostu, fot. 2 i 3. Wieloetapowe prace realizowane były w okresie od lutego 2012 r. do sierpnia 2012 r.

W trakcie prowadzenia e-monitoringu informacje o bieżącej sytuacji, przekazywane były do kierownika obiektu, który podejmował odpowiednie do sytuacji działania. Dzięki temu udało się utrzymać założone parametry na poziomie dopuszczalnym, pomimo zmiennych warunków atmosferycznych w trakcie realizowania obiektów.

Literatura[1] KIERMOŻYCKI W., “Betonowe konstrukcje masywne” Polski Cement Kraków 2004. [2] NEVILLE A.M., ”Właściwości betonu” Polski Cement Kraków 2000.[3] CZKWIANIANC A., PAWLICA J., WALENDZIAK R., GIERGICZNY Z., GOLDA Z., KASZUBA S., „Technologia wykonania masywnej

konstrukcji żelbetowej na przykładzie budowy fundamentu pod młyn cementu w Cementowni Górażdże”. Konferencja Naukowa Dni Betonu 2012.

[4] CZKWIANIANC A., PAWLICA J., WALENDZIAK R „O betonowaniu masywów” Kwartalnik Łódzki nr 3/2011 (31) s. 10-16

Fot. 1. Obiekt mostowy MA-38 Fot. 2. Fundament mostu Fot. 3. Betonowanie podpory nurtowej mostu


53

Mechaniczno-chemiczny model degradacji żelbetu w warunkach agresywnych

Słowa kluczowe: mechaniczno-chemiczny model degradacji żelbetu, korozja zbrojenia i otuliny betonowej, dekalcyfikacja betonu, dyfuzja chlorków w betonie, elektrochemiczne badania szybkości korozji zbrojenia i wilgotności betonu.

1. Wprowadzenie i zakres badańOpracowano model termomechaniczno-elektrochemiczny pozwalający na opis przemian w betonie towarzyszących korozji zbrojenia.

Przeprowadzono symulacje komputerowe uwzględniające wyniki badań eksperymentalnych oraz dokonano próby walidacji modelu. Obecnie prezentowane badania teoretyczne i doświadczalne stanowią wersje finalną prac omawianych bieżąco na konferencjach [1, 2] i opisanych w publikacjach zestawionych w końcowej części tego referatu. Referat podsumowuje zasadnicze kierunki przeprowadzonych badań: ewolucję modelu termomechanicznego pękania otuliny, badania doświadczalne dekalcyfikacji betonu określające zmiany porowatości i zmiany składu fazowego na drodze dyfuzji substancji agresywnej, postępy dyfuzji jonów chlorkowych w betonie oraz szybkość korozji zbrojenia w betonie w nawiązaniu do przewodności elektrycznej betonu.

2. Przebieg badańModel mechanicznego pękania otuliny pod wpływem produktów korozji zbrojenia

Zakończono opracowanie modelu elektrochemiczno-termomechanicznego procesu korozji zbrojenia osłoniętego betonu, który bazuje na teorii ośrodków wieloskładnikowych. Wspominany model pozwala na uwzględnienie zmian cieplno wilgotnościowych w otulinie. Dokonano weryfikacji zgodności wyników określonych na podstawie rozwiązań teoretycznych z danymi doświadczalnymi uzyskanymi z zagranicznej literatury, opublikowanymi w pracach Y. Liu i R. Weyersa. Przeanalizowane zostały również sytuacje ujmujące przebieg procesu korozji zbrojenia elementów żelbetowych z uwzględnieniem wpływów klimatycznych (nasłonecznienie, opady deszczu). Weryfikacja poprawności modelu została wykonana autorskim i specjalistycznym oprogramowaniem komputerowym. Kompleksowe opracowanie modelu zawarto w monografii [3] oraz w pracy [4].

Badania dekalcyfikacji betonuKontynuowano badania nad zmianami właściwości zaczynów cementowych wywoływanych reakcjami, między składnikami zhydratyzowanego

zaczynu oraz jonami chlorkowymi i amonowymi [4]. Analizy zmian porowatości wykazały istotny związek ze zmianami fazowego składu zaczynów z cementu portlandzkiego odpornego na siarczany, portlandzkiego i hutniczego. Praktycznie we wszystkich przypadkach spadek zawartości portlandytu następował w strefie rosnącej porowatości. Jednak przy samym brzegu, gdzie portlandytu nie stwierdzono, porowatość nie była największa, co zostało spowodowane krystalizacją wtórnych faz korozji. W tym miejscu przede wszystkim wykrystalizował gips i kalcyt, zapełniając wcześniej powstałe wolne przestrzenie. W każdym przypadku zauważono śladowe ilości thaumasytu, który w znacznym stopniu obniża trwałość betonu. Wykryto również w dużych ilościach sól Friedla. Ponieważ faza ta była trwała w pewnym zakresie pH, więc w miejscach rozpuszczania powodowała znaczny wzrost stężenia jonów chlorkowych.

W związku z tym maksymalne stężenie jonów chlorkowych również nie było umiejscowione przy samym brzegu próbek. Na podstawie obserwacji mikroskopowych potwierdzono obecność faz krystalicznych na głębokościach odpowiadających badaniom dyfraktometrycznym oraz zobrazowano stopień integracji matrycy cementowej w zależności od stopnia jej zdekalcyfikowania.

Badania dyfuzji jonów chlorkowych w betonieBadano 18 próbek wykonanych z betonu o średniej wytrzymałości fcm = 99,5 MPa oraz taką samą liczbę wykonanych z betonu o średniej

wytrzymałości fcm = 25,3 MPa. Migrację jonów chlorkowych w 9 próbkach wykonanych z każdego rodzaju betonu przyspieszono stosując pole elektryczne w zróżnicowanych okresach czasu. Pozostałe dziewięć próbek z każdej partii poddano działaniu 3% roztworu NaCl bez wspomagania polem elektrycznym. Po zakończeniu badań wyznaczono rozkłady stężenia jonów chlorkowych w betonie. Na podstawie rozkładu gęstości masy migrujących w betonie jonów chlorkowych wyznaczono współczynnik dyfuzji jonów Cl- zgodnie z modelem teoretycznym przedstawionym w pracy [6]. Miarodajną wartość współczynnika dyfuzji wyznaczono obliczając najmniejszą wartość błędu średniokwadratowego między rozkładem gęstości masy jonów chlorkowych otrzymanym na podstawie prognozowania numerycznego, a rozkładem gęstościami masy tych jonów, otrzymanym podczas badań dyfuzyjnych [6, 7].

Badania szybkości korozji zbrojenia i przewodności betonuSzybkość korozji zbrojenia próbek betonowych badano polaryzacyjnymi metodami elektrochemicznymi LPR i EIS w układzie trójelektrodowym,

gdzie pręt zbrojeniowy był elektrodą pracującą, a pozostałe elektrody tj. pomocnicza i odniesienia były także umieszczane w betonie próbki. Zapewniając stabilną temperaturę i wilgotność powietrza w komorze korozyjnej mierzono cykliczne szybkość korozji stali zbrojeniowej wywołanej jonami chlorkowymi. Próbki eksponowano w sześciu konfiguracjach wilgotność-temperatura. Badania wskazały, że zmniejszająca się wykładniczo w czasie szybkości korozji zbrojenia jest niezależna od warunków termiczno-wilgotnościowych. czas zależny od częstotliwości transmisji bez

Adam ZyburaPolitechnika ŚląskaGliwice, [email protected]

Barbara Słomka-SłupikPolitechnika ŚląskaGliwice, [email protected]

Tomasz KrykowskiPolitechnika ŚląskaGliwice, [email protected]

Zofia SzwedaPolitechnika ŚląskaGliwice, [email protected]

Tomasz JaśniokPolitechnika ŚląskaGliwice, [email protected]

Mariusz JaśniokPolitechnika ŚląskaGliwice, [email protected]


54

konieczności zewnętrznego zasilania. Zastosowanie ogniw baterii słonecznych eliminuje potrzebę zewnętrznego zasilania podczas pracy terminala, ogniwo słoneczne doładowujące akumulator w przypadku gdy natężenie światła padającego na fotoelement przekracza pewien minimalny poziom.

3. Osiągnięte cele, wyniki, rezultaty Zakończone zostały badania dotyczące modelu mechanicznego pękania otuliny w wyniku korozji zbrojenia, postępu dyfuzji jonów chlorkowych

w betonie, dekalcyfikacji betonu oraz szybkości korozji zbrojenia. Wyniki tych badań zawarto w opracowywanej monografii [3] oraz dwóch pracach doktorskich [5, 6]. Wszystkie zamierzone kamienie milowe zostały zakończone terminowo.

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 [2] 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.[3] ZYBURA A., KRYKOWSKI T., JAŚNIOK T., SŁOMKA-SŁUPIK B., SZWEDA Z., JAŚNIOK M.: Mechaniczno chemiczny model degradacji

żelbetu w warunkach agresywnych, Innowacyjne środki [4] i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej w strategii zrównoważonego

rozwoju, Pro-gram Operacyjny Innowacyjna Gospodarka, Łódź, 18-20 listopada 2012, p. 60 - 61[5] KRYKOWSKI T.: Modelowanie uszkodzenia otuliny wywołanego korozją zbrojenia w żelbecie, Studia [6] z Zakresu Inżynierii, nr 78, Warszawa 2012.[7] KRYKOWSKI T., ZYBURA A.: Modelling of reinforced concrete element damage as a result of reinforcement corrosion – 11th International

Conference “Modern Building Materials, Structures and Techniques” Vilnius Gediminas Technical University. Procedia Engineering. Modern Building Materials, Structures and Techniques. Vol. 57, 2013, p. 614–623

[8] SŁOMKA-SŁUPIK B.: Analiza oddziaływania czynników agresywnych na beton obiektów oczyszczalni ścieków. Praca doktorska, Gliwice 2012. Politechnika Śląska. Wydział Budownictwa. Promotor: prof. dr hab. inż. Adam Zybura

[9] SZWEDA Z.: Ocena właściwości ochronnych betonu na podstawie badań migracji chlorków. Rozprawa doktorska. Gliwice 2013, Politechnika Śląska. Wydział Budownictwa. Promotor: prof. dr hab. inż. Adam Zybura

[10] SZWEDA Z., ZYBURA A.: Theoretical model and experimental tests on chloride diffusion and migration processes in concrete – 11th International Conference “Modern Building Materials, Structures and Techniques” Vilnius Gediminas Technical University. Procedia Engineering. Modern Building Materials, Structures and Techniques. Vol. 57, 2013, p. 1121–1130


55

Integracja pakietów adaptacyjnych na przykładzie bibliotek MAdLiB i GetFEM++

Anna PerdutaPolitechnika Krakowska Kraków, [email protected]

Słowa kluczowe: adaptacja siatki, programowanie MES, pakiety adaptacyjne

1. WstępZadanie adaptacji siatki jest jednym z bardziej czasochłonnych zadań wykonywanych podczas analizy MES. Proces ten, jeśli prawidłowo

przeprowadzony, pozwala zwiększyć dokładność obliczeń. W związku z tym, w przypadku projektowania środowiska programistycznego mającego na celu umożliwienie przeprowadzania obliczeń MES, istotnym etapem jest przygotowanie odpowiedniego oprogramowania umożliwiającego wykonywanie adaptacji siatki. Celem opracowania jest zaprezentowanie możliwości pakietów adaptacyjnych dostępnych w bibliotekach programistycznych, które zastosowane zostały do budowy środowiska FEMDK. Opracowanie przedstawia możliwości adaptacyjne obu bibliotek oraz integrację obu narzędzi.

2. Biblioteki GetFEM++ i MAdLibGetFEM++ jest biblioteką OpenSource, która umożliwia przeprowadzanie obliczeń MES. Biblioteka oferuje wiele możliwości w zakresie

modelowania MES. Oferuje przy tym podstawowe narzędzia w zakresie adaptacji siatki, dostępny jest podstawowy estymator błędu, który możemy rozbudować przy wykorzystaniu procedur dostępnych w GetFEM++.

MAdLib to biblioteka OpenSource, która umożliwia przeprowadzanie adaptacji siatki z wykorzystaniem lokalnych modyfikacji. Podstawowym elementem, który definiuje sposób zagęszczania siatki jest tak zwane pole gęstości krawędzi siatki. Pole to możemy definiować na wiele sposobów, przykładowo może być ono oparte o estymację błędów lub skojarzone z zagęszczeniem siatki wokół poruszającego się obiektu. Co interesujące, MAdLib wprowadza wsparcie dla modelu geometrycznego.

3. Integracja pakietów adaptacyjnychAby w pełni wykorzystać możliwości adaptacyjne obu bibliotek, zaprojektowany został interfejs łączący obie biblioteki. Dzięki dołączeniu

MAdLib możliwe jest wykorzystanie wsparcia dla modelu geometrycznego przy obliczeniach wykonywanych z użyciem GetFEM++. Interfejs wykorzystuje podstawowy estymator błędu dostępny w GetFEM++, na podstawie którego za pomocą biblioteki MAdLib przeprowadzana jest adaptacja siatki. Podczas implementacji takiego rodzaju warstwy pośredniczącej pojawia się szereg problemów, które powinny zostać rozwiązane. Podstawowym problemem jest prawidłowy transfer siatki wraz z dodatkowymi danymi z jednej struktury biblioteki do struktury drugiej biblioteki. Istotnym jest również prawidłowe aktualizowanie danych podczas procesu adaptacji.

4. PrzykładyW celu prezentacji działania obu bibliotek, przedstawione zostały przykłady: przykład prezentujący rozwiązanie równania Poissona oraz

przykład obrazujący możliwości zagęszczania siatki wokół poruszającego się punktu

Ilustracja 1. Rozwiązanie równania Poissona: a) siatka początkowa, b) siatka końcowa, c) rozwiąznie.


56

Literatura[1] PUTANOWICZ R., Grounds for the selection of software components for building FEM simulation systems for coupled problems, Mechanics and

Control, 30, pp. 234-244, 2011.[2] RENARD Y., POMMIER J., GetFEM++ Homepage, http://download.gna.org/getfem/html/homepage/, 2012.[3] SHEEL T. K., REMACLE J.F., MAdLib - Mesh Adaptation Library: An Efficient Parallel Mesh Adaptation Algorithm, LAP LAMBERT Academic

Publishing, 2010.

Ilustracja 2. Adaptacja siatki wokół poruszającego się punktu


57

Implementacja programu do modelowania belek żelbetowych w warunkach pożarowych

Szymon SeręgaPolitechnika Krakowska Kraków, [email protected]

Roman PutanowiczPolitechnika Krakowska Kraków, [email protected]

Anna StankiewiczPolitechnika Krakowska Kraków, [email protected]

Adam WosatkoPolitechnika Krakowska Kraków, [email protected]

Słowa kluczowe: odporność ogniowa, belki żelbetowe, oprogramowanie

Program BEAFIRETworzone w ramach projektu oprogramowanie BEAFIRE stanowi relatywnie proste i zarazem efektywne narzędzie inżynierskie służące do

określania odporności ogniowej (tfi) belek żelbetowych w układach hiperstatycznych. Głównym celem oprogramowania, oprócz wyznaczania wartości tfi, jest dostarczenie użytkownikowi informacji dotyczących zmian temperatury w przekroju elementu, a także redystrybucji pól momentów zginających w wyniku lokalnych zmian sztywności elementu żelbetowego, poddanego oddziaływaniu wysokiej temperatury. W analizie przyjmuje się założenia spójne z zaleceniami inżynierskich norm projektowania konstrukcji żelbetowych (EN 1992-1-1, EN 1992-1-2).

Obliczenia przeprowadzane sią w dwóch stadiach. W stadium pierwszym w przekrojach elementów zginanych wyznaczane są niestacjonarne pola temperatury dla założonego na brzegu przekroju scenariusza pożaru θ(x,y,t), gdzie θ oznacza temperaturę, x i y współrzędne przekroju elementu, t czas. W celu wyznaczenia pól θ(x,y,t), przekrój belki dzielony jest na elementy skończone, a następnie rozwiązywany jest klasyczny, dwuwymiarowy problem przewodzenia ciepła opisany równaniem Fouriera-Kirchhoffa z zależnymi od temperatury współczynnikiem przewodzenia ciepła i pojemnością cieplną. Odpowiedź mechaniczna konstrukcji na obciążenia zewnętrzne oraz na wymuszenie termiczne wyznaczana jest w stadium drugim w oparciu o metodę siecznych sztywności giętnych. Element żelbetowy traktowany jest jak zbiór włókien równoległych do osi belki o parametrach mechanicznych każdego włókna ustalanych w oparciu o aktualną temperaturę θ określoną w stadium pierwszym oraz zależne od tej temperatury związki naprężenie-odkształcenie betonu i stali zbrojeniowej. W programie przyjęto związki fizyczne betonu i stali w oparciu o zalecenia normy EN-1992-1-2. Zgodnie z zasadą płaskich przekrojów odkształcenia poszczególnych włókien przekroju spełniają równanie płaszczyzny: εz(x,y,z,t) = κ(z,t)·y + εo gdzie t oznacza aktualną chwilę pożaru, z współrzędną wzdłuż osi belki, κ krzywiznę, εo odkształcenie w środku ciężkości przekroju. Wielkości κ oraz εo obliczane są z równań równowagi. W każdej chwili pożaru t sieczna sztywność giętna B(z,t) wyznaczana jest na podstawie zależności moment zginający M – krzywizna κ:

Ponieważ rozkład momentów zginających M(z,t) jest funkcją sztywności B(z,t) rozwiązanie ustalane jest iteracyjnie. Kryterium osiągnięcia odporności ogniowej tfi stanowi rozbieżność procedury iteracyjnej (brak równowagi) lub przekroczenie granicznej wartość przyrostu ugięcia w ogrzewanym przęśle. W wyniku obliczeń użytkownik otrzymuje zmienne w czasie pola termiczne w przekrojach ogrzewanych przęseł, zmiany momentów zginających w czasie trwania pożaru oraz historię deformacji konstrukcji. Program BEAFIRE oprócz dostarczenia kluczowej ze względów bezpieczeństwa pożarowego informacji na temat odporności ogniowej tf stanowi narzędzie pozwalające użytkownikowi na optymalizację ilości zbrojenia statycznie niewyznaczalnych elementów belkowych z uwzględnieniem zdolności tego typu konstrukcji do redystrybucji momentów zginających.

Literatura[1] DI CAPUA D., MARI A.R, “Nonlinear analysis of reinforced concrete cross-sections exposed to fire”, Fire Safety Journal, Vol. 42, 2007, pp.

139-149.


58

Trwałość mrozowa samozagęszczalnego betonu zbrojonego włóknami stalowymi

Jerzy WawrzeńczykPolitechnika Świętokrzyska Kielce, [email protected]

Agnieszka MolendowskaPolitechnika Świętokrzyska Kielce, [email protected]

Adam KłakPolitechnika Świętokrzyska Kielce, [email protected]

Słowa kluczowe: beton SCC, włókna stalowe, napowietrzanie, metody badania mrozoodporności

1. WprowadzenieW ostatnich kilkunastu latach obserwuje się gwałtowny rozwój badań oraz zastosowań technologii betonów samozagęszczalnych (SCC)

w prefabrykacji, jako beton towarowy a także do napraw istniejących konstrukcji m.in. mostów, tuneli itp. Oprócz betonów SCC stosuje się betony wysokich wytrzymałości (HS SCC) i fibrobetony samozagęszczalne (FR SCC).

Modyfikacja właściwości betonów poprzez dodawanie włókien w postaci zbrojenia rozproszonego nie jest zagadnieniem nowym w technologii betonu, ale w przypadku betonów SCC stanowi obszar wymagający dalszych badań. Prace badawcze koncentrują się zazwyczaj na określeniu relacji zawartość włókien-odporność na pękanie, gdzie istotą zastosowania włókien jest zwiększenie odkształcalności betonu oraz jego zdolności do przenoszenia zwiększonych obciążeń po zarysowaniu. Wprowadzenie włókien stalowych do mieszanki powoduje wzrost granicy płynięcia i lepkości plastycznej tym większy im większa jest ich ilość. Istotne znaczenie ma też kształt włókien (proste, haczykowate, faliste) oraz parametry geometryczne włókien (długość, średnica i smukłość). Duża ilość stosowanych włókien (1-1,5%) może powodować problemy z równomiernym wymieszaniem składników, blokowaniem włókien itp. Mieszanki o obniżonej granicy płynięcia i lepkości plastycznej, a więc mniejszej stabilności wykazują zwiększoną tendencję do segregacji i osiadania włókien [1].

W przypadku betonów nawierzchniowych i mostowych jednym z podstawowych wymagań jest zapewnienie odpowiedniej trwałości mrozowej, co wymaga rozpatrzenia dwóch kwestii: jego odporności na wewnętrzne pękanie oraz odporności na powierzchniowe uszkodzenia. Teoretycznie dobrą mrozoodporność można uzyskać wykonując beton bardzo szczelny (W/C<0.38) lub poprzez jego napowietrzenie. Zazwyczaj kluczowym wymaganiem jest odpowiednie napowietrzenie betonu- zwykle jako kryteria dobrego napowietrzenia przyjmuje się rozstaw pęcherzyków L<0,20 mm przy zawartości mikroporów A300>1,5 % [2].

Jednoczesne stosowanie kilku dodatków mineralnych i domieszek prowadzić może do trudności w utrzymaniu stabilności systemu porów powietrznych. Niestabilność porów powietrznych może mieć kilka przyczyn: ucieczki na zewnątrz dużych pęcherzy, rozpuszczanie się pęcherzyków o średnicy < 0,10 mm, łączenie się porów w większe pęcherzyki. W betonach samozagęszczalnych charakteryzujących się bardzo dużą płynnością te negatywne zjawiska mogą się nasilać [3]. Napowietrzenie mieszanki SCC jest skomplikowane i wpływa znacząco na jej właściwości reologiczne [1].

Innowacyjną metodą pozwalającą na uniknięcie większości wymienionych problemów jest zastosowanie mikrosfer- sferycznych cząstek o określonych wymiarach, które nie znikają, nie łączą się, a system porów jest precyzyjnie określony. Badania własne autorów [4] z napowietrzaniem mieszanek betonowych z wykorzystaniem mikrosfer polimerowych wskazują na bardzo dobrą skuteczność tej metody w przypadku tradycyjnych betonów mostowych.

W praktyce projektowanie składu fibrobetonu samozagęszczalnego wymaga poszukiwania kompromisu między właściwościami reologicznymi świeżej mieszanki, koniecznością odpowiedniego jej napowietrzenia a poprawą właściwości mechanicznych kompozytu.

Osobnym zagadnieniem jest kwestia metodyki stosowanej do oceny mrozoodporności betonu nawierzchniowego. W pracy zastosowano nowe metody normowe [5],[6] oraz ich modyfikacje. Uzyskane wyniki wskazują na kluczowe znaczenie wyboru metody dla końcowej oceny danego betonu SCC.

2. Wyniki badańCelem badań było określenie wpływu dodatku włókien stalowych oraz napowietrzenie mieszanki za pomocą mikrosfer polimerowych

na właściwości świeżej mieszanki oraz trwałość mrozową stwardniałego betonu samozagęszczalnego (SCC). Plan badań obejmował wykonanie 6 betonów SCC podzielonych na dwie grupy: seria A- bez napowietrzenia i seria B- napowietrzone za pomocą mikrosfer. Dla każdej serii dodawano włókna stalowe w ilości 0, 30, 60 kg/m3.

W wyniku przeprowadzonych badań mieszanki stwierdzono, że wszystkie serie betonów spełniają wymóg samozagęszczalności. Zauważono, że dodatek włókien stalowych wpływa na pogorszenie urabialności świeżej mieszanki.

Badane betony odpowiadają wymaganiom dla betonów wysokiej wytrzymałości (klasa C50/60). Uzyskane nasiąkliwości biorąc pod uwagę dużą zawartość spoiwa można uznać za umiarkowane gdyż wyniki mieszczą się w zakresie 4,34÷5,34%. Wyniki oznaczeń parametrów struktury porów powietrznych, przeprowadzone dla betonów napowietrzonych (seria B), wykazały wysoką jakości procesu napowietrzenia betonu dzięki zastosowaniu mikrosfer polimerowych.

Badania mrozoodporności obejmowały oznaczenia: odporności na powierzchniowe łuszczenie metodą płytkową wg [5], gdzie badano: a-naturalną powierzchnię formowania, b- powierzchnie próbki wyciętej. Odporność betonu na wewnętrzne pękanie przeprowadzono na belkach 9x10x50 cm, które podawano zamrażaniu: c-w powietrzu, d-belki były częściowo zanurzone w wodzie. Belki zamrażano wg Wytycznych [6].

Betony w których zastosowano mikrosfery polimerowe (seria B) wykazują znacznie większą odporność na powierzchniowe łuszczenie w porównaniu do betonów nienapowietrzonych (seria A). Zauważono, że próbki formowane są zdecydowanie bardziej odporne na powierzchniowe łuszczenie niż próbki z powierzchnią wycinaną. Po analizie wyników nie stwierdzono wpływu zawartości włókien stalowych na mrozoodporność.

Dla betonu serii A procentowy spadek wytrzymałości belek zamrażanych w powietrzu wynosił 27-41%, co klasyfikuje go jako beton niemrozoodporny, natomiast próbki napowietrzone serii B są mrozoodporne, gdyż wykazały spadek wytrzymałości poniżej 20%.

Zamrażanie próbek częściowo zanurzonych w wodzie wskazuje na znaczne zaostrzenie warunków testu. Betony serii A, bez względu na zawartość włókien stalowych, wykazały całkowity brak mrozoodporności. Spadek wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu belek serii A mieścił się w granicach 71-84%, podczas gdy dla betonów serii B spadek wytrzymałości wynosił około 5%. Napowietrzone betony serii B ze względu


59

na znikomy spadek wytrzymałości na rozciąganie, nie przekraczający 20 %, są mrozoodporne.3. Uwagi końcowe

Wszystkie badane betony zaliczyć można do betonów wysokiej wytrzymałości. Wytrzymałość betonów serii A odpowiadała klasie C70/80, natomiast napowietrzonych betonów serii B wytrzymałość odpowiadała klasom C55/67 i C60/75. Pomimo zwiększenia zawartości dodanego spoiwa betony charakteryzowały się średnią nasiąkliwości i porowatością. Mikroskopowa analiza struktury porów powietrznych wykazała bardzo dobre napowietrzenie betonów dzięki zastosowaniu mikrosfer polimerowych. Świadczy o tym wskaźnik rozmieszczenia L, którego wartość wynosiła znacznie poniżej 0,20 mm przy zawartości mikroporów A300 poniżej 1,5 %. Wskazuje to na możliwość uzyskania dobrego napowietrzenia betonu przy całkowitej zawartości powietrza mniejszej od 4%.

Badanie mrozoodporności przeprowadzone metodą płytkową wykazało, że betony napowietrzone wykazały zdecydowanie większą mrozoodporność w porównaniu do betonów nienapowietrzonych. W poszczególnych seriach odporność na powierzchniowe łuszczenie próbek z powierzchnią formowaną była zdecydowanie lepsza niż próbek z powierzchnią wycinaną.

Badanie odporności betonu na wewnętrzne pękania przeprowadzone dwoma metodami wykazały: - belki zamrażane w powietrzu- betony serii A okazały się niemrozoodporne, gdyż spadek wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu

wyniósł powyżej 27%. Betony napowietrzone serii B uznano za mrozoodporne, ponieważ ich spadek wytrzymałości był niższy od 20%. Spadek wytrzymałości na ściskanie dla wszystkich serii, niezależnie od napowietrzenia, był niższy od 20%.

- belki zamrażane przy częściowym zanurzeniu w wodzie- możliwość wchłaniania dodatkowej ilości wody w trakcie zamrażania powoduje zdecydowanie szybsze zniszczenie betonów nienapowietrzonych- spadek wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu belek serii A wyniósł w granicach 71-84%, zastosowanie napowietrzenia okazało się tu bardzo skuteczne (spadek poniżej 5%).

Literatura[1] Szwabowski J., Gołaszewski J.: Technologia betonu samozagęszczalnego. Cement Polski, Kraków 2010.[2] Wytyczne techniczne dla betonowych nawierzchni drogowych. Etap III. IBDiM, W-wa 2010.[3] Szwabowski J., Łaźniewska-Piekarczyk B.: The importance of porosity structure parameters of freeze-thaw resistance of self-compacting

concrete. Cement Lime Concrete, nr 3/2008, pp. 155-165. [4] Wawrzeńczyk J., Molendowska A.: Concrete air void structure in relation to the frost resistance of concretes air-entrained by means of

microshperes. Cement Lime Concrete, nr 5/ 2011, pp. 278-287.[5] PKN-CEN/TS 12390-9, Testing hardened concrete-Part 9: Freeze-thaw resistance-Scaling (2007).[6] Technical Report CEN/TR 15177: Testing the freeze-thaw resistance of concrete-Internal structural damage (2006).


60

Dwuskalowe modelowanie reakcji alkalia-krzemionka w betonie


Dariusz GawinPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Marcin KoniorczykPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Słowa kluczowe: reakcja alkalia-krzemionka, modelowanie dwuskalowe

1. WstępReakcja alkalia-krzemionka zachodzi w materiałach porowatych między nieskrystalizowaną (bądź słabo skrystalizowaną) postacią krzemionki

a jonami sodu i potasu. W warunkach wysokiej wilgotności względnej tworzony jest wskutek niej higroskopijny żel, który powoduje powstawanie dodatkowych naprężeń w materiale. Większość modeli matematycznych opisuje tę reakcję w sposób fenomenologiczny, m.in. uwzględniając tzw. „czas utajenia reakcji”, w trakcie którego substraty reakcji dyfundują w głąb kruszywa. Prezentowany model uwzględnia dyfuzję alkaliów, pozwalając na określanie czasu rozpoczęcia reakcji oraz postępu reakcji w zależności od wielkości kruszywa oraz parametrów określających strukturę wewnętrzną materiału, takich jak porowatość czy dyfuzyjność kruszywa oraz otaczającego go zaczynu.

2. Model matematycznyOpracowano model matematyczny reakcji alkalia-krzemionka bazujący na modelu zjawisk cieplno-wilgotnościowych w betonie [1]. Uwzględnia

on sprzężenie zjawisk higro-termicznych oraz chemicznych, dyfuzję jonów biorących udział w reakcji oraz ewolucję struktury wewnętrznej i właściwości materiału. Model matematyczny stanowią równania bilansu masy suchego powietrza, masy wody, energii wewnętrznej, pędu oraz masy alkaliów. Zmiennymi stanu ośrodka są ciśnienie gazu, ciśnienie kapilarne, temperatura, wektor przemieszczeń oraz stężenie alkaliów. Rozpoczęcie reakcji alkalia-krzemionka, zachodzącej w kruszywie, uwarunkowane jest wystąpieniem odpowiednio wysokiego stężenia alkaliów.

Literatura[1] Gawin D., Pesavento F., Schrefler B.A. Hygro-thermo-chemo-mechanical modelling of concrete at early ages and beyond. Part I: hydration and

hygro-thermal phenomena. Int. J. Numer. Meth. Engng. 67(3) (2006) 299-331.

Rys 1. Zmiany stężenia alkaliów w kruszywie oraz zaczynie cementowym, otrzymane w wyniku symulacji numerycznych, po czasie: (A) t=1h oraz (B) t=24h.


61

Termo-hydro-mechaniczny model mrozowej degradacja betonów drogowych

Marcin Koniorczyk Politechnika Łódzka Łódź, [email protected]


Piotr KoncaPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Marek Jabłoński Politechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Dariusz GawinPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Alicja MarciniakPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Słowa kluczowe: bton, zniszczenie, mrozoodporność, termo-hydro-mechaniczny model 1. Zakres badań

W poniższym referacie przedstawiono badania dotyczące zniszczenia mrozowego betonów drogowych. Wcześniejsze analizy dotyczyły transportu i krystalizacji soli w porowatych materiałąch budowlanych, ich wyniki zostały szczegółowo opisane w monografii [1]. Wykonane prace można podzielić na dwie części: badania teoretyczne, prace eksperymentalne. Badania teoretyczne dotyczą sformułowania modelu matematycznego oraz numerycznego opisującego procesy hydro-termiczne, które zachodzą w porowatych materiałach budowlanych podczas zamarzania wody oraz ich wpływ na stan odkształceń ośrodka. Wykonano również szereg badań eksperymentalnych mających na celu analizę wpływu cyklicznego zamarzania wody na zmianę fizycznych właściwości betonów oraz jego strukturę. Przeprowadzone badania eksperymentalne służą do identyfikacji wszystkich parametrów materiałowych niezbędnych do prawidłowego opisu matematycznego zjawisk towarzyszących zamarzaniu wody w porach betonów a także mogą być zastosowane do walidacji modelu numerycznego.

2. Badania eksperymentalnePodczas realizacji projektu wykonano badania materiałowe w kilku etapach. W pierwszym etapie wykonano badania mrozoodporności

betonów o niskim cieple hydratacji. Badania przeprowadzono na cementach: CEM III A 32,5, CEM III A 42,5, CEM II B-S 32,5 oraz CEM V A 32,5, których głównymi składnikami był klinkier i granulowany żużel wielkopiecowy. Do badań użyto naturalne kruszywo otoczakowe o zróżnicowanym uziarnieniu. W ramach badań wykonano analizę granulometryczną wg PN-EN 933-1:2000 oraz określono podstawowe cechy fizyczne np. takie jak, gęstości ziarn i nasiąkliwości (PN-EN 1097-6:2002), gęstości nasypowa i jamistość (PN-EN 1097-3:2000). Skłądy betonów różniły się między sobą zawartością popiołów. Popioły lotne pochodziły z łódzkiej elektrociepłowni EC2. Składy poszczególnych zarobów zostały przyjęte w ten sposób, aby stosunek wody zarobowej do cementów z popiołami pozostawał stały i wynosił w/(c+p) = 0,46. Do otrzymania odpowiedniej konsystencji zastosowano domieszkę plastyfikatora opartego na eterach polikarbiksylanowych w ilości od 0,8 do 1,4 % łącznej masy cementu i popiołu. Badania wykonano na 12 różnych składach mieszanki betonowej. W ramach badań laboratoryjnych określono: konsystencjię mieszanki betonowej, gęstości betonu, wytrzymałości na ściskanie oraz odporności betonu po cyklach zamrażania – rozmrażania metodą metodę zwykła (wg PN –B 06250:1988).

Celem drugiego etapu badań było ustalenie jaki wpływ na mrozoodporność i wytrzymałość ma porowatość betonu stwardniałego. Dozując różne ilości domieszek napowietrzających zbadano ich wpływ na cechy fizyko-mechaniczne betonów używanych w drogownictwie. Badania mrozoodporności betonów wykonano na cementach: CEM I 42,5 oraz CEM II 42,5 R. Badania przeprowadzono na dwóch zestawach betonów o zmieniającej się ilości napowietrzaczy i stałym stosunku w/c = 0,40. Każdy zestaw zawierał po cztery różne mieszanki betonowe. Do badań użyto piasek kwarcowy oraz kruszywo łamane bazaltowe o optymalnie dobranym uziarnieniu.

W celu określenia wielkości i rozkładu porów powietrznych zastosowano autorski program wykonany przy współpracy Katedry Fizyki Budowli i Materiałów Budowlanych Politechniki Łódzkiej. Program posiada wiele użytecznych funkcji. Opiera się na analizie obrazów w odpowiednio wysokich rozdzielczościach. W ramach badań oznaczono: zawartości powierza w świeżej mieszance betonowej metodą ciśnieniową wg PN-EN 12350-7:2001, konsystencję świeżej mieszanki betonowej oraz dwie metody badanie odporności betonu na działanie mrozu, jak w etapie pierwszym na kostkach, oraz drugą, którą było badanie odporności na powierzchniowe łuszczenie betonu stwardniałego (metoda referencyjna wg: PKN-CEN/TS 12390-9:2007E). Badanie polegało na określeniu masy złuszczonego materiału z górnej powierzchni próbki po 7, 14, 28, 42 i 56 cyklach zamrażania i odmrażania w obecności 3-procentowego roztworu NaCl. Wykonano również oznaczenie charakterystyki porów powietrznych w betonie stwardniałym. Badanie wykonano przy użyciu skanera a rozkład i wielkość porów określono na podstawie PN-EN 480-11:2008. Do zbierania obrazu porów powietrznych na powierzchni zgładu betonowego użyto skanera. Skany zgładu zostały wykonane w rozdzielczości 2540 dpi. Uzyskane w ten sposób zdjęcia analizowano w programie „Porowatość”, napisanego na potrzeby prowadzonych badań.

Trzeci etap obejmował badania mrozoodporności betonów z cementami CEM 42,5 i kruszywem granitowym. Zastosowano jedną domieszką napowietrzającą na bazie tensydów syntetycznych i cementy CEM I 42,5R, CEM II/B-S 42,5 oraz CEM II/B-V 42,5 wyprodukowanych przez trzy polskie cementownie. Składy poszczególnych zarobów zostały przyjęte w ten sposób, aby stosunek wody zarobowej do cementów pozostawał stały i wynosił w/c: 0,45; 040; 0,35. Do otrzymania odpowiedniej konsystencji zastosowano domieszki plastyfikatorów na bazie eterów polikarboksylanowych; do cementu CEM I 42,5 R w ilości od 0,6 do 2,2% masy cementu; do cementu CEM II/B-S 42,5 w ilości od 0,5 do 1,5% masy cementu, do cementu CEM II/B-V 42,5 w ilości od 0,4 do 1,1% masy cementu. Zastosowano do wszystkich cementów jedną domieszkę napowietrzającą opartą na tensydach syntetycznych. Badania wykonano na trzech seriach betonów po 6 różnych składów na serię. Badania obejmowały cechy takie, jak w poprzednim etapie.

3. Matematyczny model procesów hydro-termicznych oraz zniszczenia mrozowego betonów drogowychOpracowano model materiałów wielofazowych poddanych cyklicznemu zamarzaniu wody. Wyprowadzono równania rządzące modelu dla

poszczególnych faz w skali mikro. Stosując teorię uśredniania objętościowego wyprowadzono równania zachowania poszczególnych wielkości


62

termodynamicznych w objętości reprezentatywnej, w której obecne są wszystkie fazy ośrodka, tzw. nakładające się kontinua. Przyjęto kinetyczny, przyrostowy opis przemiany fazowej wody i lodu. Woda wypełniająca pustkę powietrzną zamarza w temperaturze ujemnej, tym niższej im mniejsza jest jej średnica. Wyprowadzono równanie termodynamiczne opisujące zależność temperatury zamarzania wody od średnicy poru oraz ciśnienia wody (Scherer 1993). Zastosowane podejście pozwala modelować histerezę przemiany fazowej wody. Lód ma o ok. 9% mniejszą gęstość niż woda, dlatego podczas przemiany fazowej wywierane jest dodatkowe ciśnienie na szkielet materiałów porowatych co skutkuje wzrostem objętości danego elementu. Równocześnie mogą pojawić się rysy, które rozprzestrzeniają się podczas kolejnych cykli zamarzania wody, i w konsekwencji prowadzą do zniszczenia elementu. W badaniach przyjęto poziomicowy model zniszczenia (Bernard i in. 2012). Model matematyczny rozwiązano przy zastosowaniu standardowych metod numerycznych, tj. metody elementów skończonych – aproksymacja pochodnej przestrzennej, metody różnic skończonych – aproksymacja pochodnej czasowej, metody Newtona – linearyzacja równań nieliniowych. Podczas formułowania modelu matematycznego wykorzystano informacje dotyczące zmiany struktury wewnętrznej i własności betonów wyznaczone podczas prac eksperymentalnych.

4. PodsumowanieDzięki kompleksowemu ujęciu tematu możliwe było zarówno stworzenie bazy danych opisującej zmianę właściwości betonów drogowych

pod wpływem zamarzania wody oraz opracowanie programu komputerowego do modelowania przebiegu procesów hydro-termicznych z uwzględnieniem przemiany fazowej wody i jej wpływ na stan odkształceń ośrodka. Zastosowanie poziomicowego modelu zniszczenia materiałów kruchych umożliwia prognozowanie trwałości betonów drogowych na podstawie informacji o mikrostrukturze i własnościach mechanicznych.

Literatura[1] KONIORCZYK M. Transport i krystalizacja soli w materiałach budowlanych. Łódź 2013.[2] BERNARD P.E., MOËS N., CHEVAUGEON N., „Damage growth modeling using the Thick Level Set (TLS) approach: Efficient discretization

for quasi-static loadings”, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering (2012), 233–236: pp. 11-27[3] SCHERER G.W., Freezing gels, Journal of Non-Crystalline Solids (1993), 155, pp. 1-25.[4] PN-B-06250:1988P - Beton zwykły.[5] PKN-CEN/TS 12390-9:2007E - Testing hardened concrete - Part 9: Freeze-thaw resistance – Scaling.


63

Betony konstrukcyjne na kruszywach z recyklingu– badania doraźne i długotrwałe elementów

żelbetowychAlina KliszczewiczPolitechnika ŚląskaGliwice, [email protected]

Słowa kluczowe: betony na kruszywach z recyklingu (BKR), betony na nowych kruszywach naturalnych (BKN), badania doraźne i długotrwałe, belki, słupy

1. WprowadzenieGruz pozyskany z rozbiórki konstrukcji betonowych, wykonanych z dobrej jakości betonu o stosunkowo dużej wytrzymałości, może stanowić

źródło kruszywa do betonów konstrukcyjnych. Dotychczasowe badania [1], [4], [5] wskazują na istotne różnice właściwości betonów na kruszywach z recyklingu (BKR) i na nowych kruszywach naturalnych (BKN). Dla betonów BKR i BKN tej samej klasy uzyskiwano nieco niższe wartości wytrzymałości na rozciąganie w BKR, a przede wszystkim wyraźnie niższe wartości modułów sprężystości. W długotrwałych badaniach betonów stwierdzano również wyraźne różnice właściwości reologicznych (przede wszystkim skurczu). Konieczne są zatem bardziej dokładne badania betonów, a przede wszystkim elementów konstrukcyjnych z betonów na kruszywach z recyklingu, bowiem poszczególne właściwości betonów różnią się w nie jednakowym stopniu. We wcześniej przeprowadzonych badaniach doraźnych elementów [2] określano wpływ właściwości doraźnych betonów na zachowanie się prostych elementów konstrukcyjnych (belki swobodnie podparte i słupy krępe). Pilotową serię badań długotrwałych elementów przedstawiono w [3].

Obecnie prezentowane są długotrwałe i doraźne laboratoryjne badania elementów konstrukcyjnych (belki, słupy) z betonów na kruszywach BKR i BKN o wytrzymałościach na ściskanie w przedziale od 40 do 110 MPa, z różnym udziałem kruszyw z recyklingu - tylko grube, lub grube i drobne. Jest to kontynuacja badań, obejmujących właściwości betonów, przedstawionych w [5].

2. Ogólny zakres badańZbadano 3 serie elementów (belek i słupów), wykonanych z betonów na 3 rodzajach kruszyw (nowych oraz z recyklingu z kilkunastoletnich

betonów): otoczakowych, w przewadze kwarcyt - symbol O, granitowych – G, bazaltowych – B. Każda trójelementowa seria była wykonana z podobnych mieszanek, opracowanych dla kruszyw nowych. Poszczególne mieszanki w serii różniły się kompozycjami kruszywa: mieszanka NN – w całości na kruszywie nowym, RN – na kruszywie grubym z recyklingu z piaskiem nowym, RR - w całości na kruszywie z recyklingu. W mieszankach na kruszywach z recyklingu ilość bazowej wody, określana dla mieszanek na kruszywach nowych, była powiększana stosownie do zwiększonej wodożądności kruszyw z recyklingu. Łącznie przebadano 9 żelbetowych belek i słupów w 3 seriach. W pierwszej kolejności prowadzono badania długotrwałe, a po ich zakończeniu te same elementy poddano obciążeniom doraźnym do zniszczenia. Wymiary, zbrojenie, sposób podparcia i obciążenia dla obydwu typów elementów były identyczne - Rys.1 i 2. Badania długotrwałe prowadzono ponad rok. Belki (Rys.1b) obciążano grawitacyjnie dwoma siłami skupionymi w rostawie 1/3 rozpiętości, natomiast słupy badano w pełzarkach sprężynowych (Rys.2b). Intensywność długotrwałego obciążenia zarówno belek, jak i słupów ustalano jako 1/3 spodziewanego obciążenia niszczącego.

Rys 1. Badania długotrwałe i doraźne belek: a) Wymiary, zbrojenie, schemat obciążenia, b) Belki pod obciążeniem długotrwałym, c) Belka na stanowisku do badań doraźnych


64

3. Wyniki badańW czasie długotrwałych badań belek (w okresie obciążenia i przez 3 miesiące po odciążeniu) mierzono ugięcia czujnikami zegarowymi,

odkształcenia betonu na obwodzie przekroju w środku rozpiętości tensometrem przykładanym, rejestrowano rysy i mierzono ich rozwartość lupą Brinella.

W długotrwałych badaniach słupów rejestrowano pionowe i poziome odkształcenia betonu na wszystkich 4 ścianach bocznych w środku ich wysokości czujnikami zegarowymi, a także kontrolowano i regulowano w razie potrzeby wielkość obciążenia siłownikami. Wyniki długotrwałych badań towarzyszących betonu prowadzonych na próbkach (skurcz i pełzanie) przedstawiono wcześniej w [5].

Po badaniach długotrwałych wykonano badania doraźne wszystkich elementów z zachowaniem identycznych, jak w badaniach długotrwałych, schematów podparcia i obciążenia. W badaniach belek (Rys.2c) stopniowo zwiększano obciążenie aż do zniszczenia, każdorazowo mierząc ugięcia czujnikami indukcyjnymi, odkształcenia betonu strefy ściskanej tensometrami elektrooporowymi, odkształcenia betonu na płaszczyznach bocznych na bazach pomiarowych z badań długotrwałych. Badania doraźne słupów prowadzono w maszynie wytrzymałościowej (Rys.3).

Długotrwałe badania żelbetowych belek i słupów z betonów z różnymi udziałami kruszyw z recyklingu wskazały na zwiększoną odkształcalność badanych elementów, w szczególności wykonanych w całości z betonów na kruszywach z recyklingu. Zastąpienie drobnych frakcji kruszywa z recyklingu piaskiem nowym wyraźnie poprawia wszystkie właściwości betonów. Badania belek i słupów były prowadzone w celu stwierdzenia różnic w zachowaniu się ich pod obciążeniem długotrwałym i doraźnym. Badania w pełni potwierdzają pełną przydatność tych betonów do zastosowań konstrukcyjnych pod warunkiem stosowania do produkcji kruszyw betonów rozbiórkowych odpowiedniej jakości, a także starannego doboru składu i wykonawstwa betonów na kruszywach wtórnych.

Piśmiennictwo[1] Ajdukiewicz A., Kliszczewicz A., Influence of recycled aggregates on mechanical properties of HS/HPC. Cement & Concrete Composites, Vol.

24, No.2, 2002, s. 269-279.[2] Ajdukiewicz A., Kliszczewicz A., Comparative Tests of Beams and Columns Made With Recycled Aggregate Concrete and Natural Aggregate

Concrete, Journal of Advanced Concrete Technology (Japan), Vol.5, No.2, 2007, s. 259-273.[3] 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, s. 479-482.[4] Ajdukiewicz A., Kliszczewicz A., Structural Recycled Aggregate Concrete - Instantaneous and Long-Term Properties. Proceedings of the fib

Symposium “Concrete Structures for Sustainable Community”. Royal Institute of Technology (KTH) – Swedish Concrete Association, Stokholm, June 11-14 2012, s. 67-70.

[5] Kliszczewicz A., Odkształcalność betonów na kruszywach wtórnych. Materiały II Konferencji „Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej w strategii zrównoważonego rozwoju”, 18-20 listopada 2012, Łódź, s.70-71.

Rys 2. Badania długotrwałe: a) Wymiary i zbrojenie słupów, b) Słupy w pełzarkach pod obciążeniem długotrwałym

Rys 3. Badania doraźne: c) Schemat rozmieszczenia tensometrów elektrooporowych, d). Słup na stanowisku badawczym


65

Stan prawny gospodarki odpadami budowlanymi w Polsce i w Europie

Rafał Uliniarz Politechnika ŚląskaGliwice, [email protected]

Słowa kluczowe: recykling, odpady budowlane, stan prawny, strategie

1. Gospodarka odpadami Gospodarka odpadami jest, we współczesnej Europie, jednym z priorytetowych obszarów w ramach szeroko rozumianej ochrony środowiska.

Stanowi jednocześnie istotny składnik procesu zrównoważonego rozwoju. Na obszarze EWG pierwsze dokumenty regulujące te kwestie powstały w roku 1975r. (dyrektywa 75/442/EWG [1]). Chociaż przepisy miały charakter bardzo ogólnych wytycznych, to wskazywały kierunek działania dla państw członkowskich.

Dyrektywa 91/156/EWG z roku 1991 [2] nakłada na Państwa Członkowskie obowiązek sporządzania planów gospodarki odpadami (PGO), zawierających m.in. typ, ilość i pochodzenie odpadów przeznaczonych do odzysku lub usunięcia, łącznie z wymogami technicznymi. W praktyce zapis ten wymusza prowadzenie szczegółowych statystyk związanych z ilością odpadów i ich dalszym losem. Ponownie zaakcentowany jest aspekt samowystarczalności w skali regionalnej. Pojawia się także pojęcie zapobiegania powstawaniu odpadów, jako priorytet gospodarki odpadami.

Dopiero dyrektywa 1999/31/WE [3] wprowadza liczbowe wymagania dotyczące redukcji odpadów składowanych na wysypiskach. Narzuca stosunkowo ostre wymagania redukcji w stosunku do odpadów składowanych w roku 1995. Co prawda nie tyczy się to w szczególności odpadów budowlanych, ale stanowi poważny krok legislacyjny.

Aktualnie obowiązująca dyrektywa 2008/98/WE [4] zobowiązuje Państwa Członkowskie, w tym Polskę, do znacznego zwiększenia stopnia przetwarzania i ponownego wykorzystania odpadów. Artykuł 11b mówi o konieczności recyklingu minimum 70% odpadów budowlanych do roku 2020, o ile stopień ten w roku 2008 był wyższy niż 5%. Wg danych Ministerstwa Środowiska [7] wykorzystanie odpadów budowlanych w 2008 roku było na poziomie 80%, co jest wartością wysoką. Niestety sposób wykorzystania pozostawia wiele do życzenia. Najnowszy PGO na poziomie krajowym [6] stwierdza, iż „zdecydowana większość odpadów jest poddawana odzyskowi m.in. przy budowie nowej infrastruktury drogowej i kolejowej, … do niwelacji terenu i rekultywacji wyrobisk”. Bardziej wyrafinowane metody ponownego wykorzystania statystycznie nie istnieją. Niepokojący jest także fakt znacznych ilości magazynowanych odpadów oraz często pojawiające się w sprawozdaniach realizacji PGO problemy ze zbiórką selektywną tej grupy odpadów.

W Kraju obecnie obowiązuje szeroko komentowana ustawa z dnia 1 lipca 2011 r. o zmianie ustawy o utrzymaniu czystości i porządku w gminach oraz niektórych innych ustaw [5]. Główną zmianą jest przekazanie gospodarki odpadami bezpośrednio na gminę, co oczywiście wiąże się z przekazaniem odpowiedzialności za realizację strategii unijnych. Tyczy się to także odpadów budowlanych. Niniejsza ustawa pomija z jednym wyjątkiem ten rodzaj odpadów, a ów wyjątek jest kalką wspomnianego wcześniej artykułu 11b z dyrektywy 2008/98/WE o wymaganiu osiągnięcia poziomu 70% ponownego wykorzystania do roku 2020.

Analizując działania legislacyjne w temacie gospodarki odpadami stwierdzić należy, iż UE realizuje od wielu lat powolny, ale skuteczny program gospodarki odpadami. Nie można tego powiedzieć o działaniach krajowych. Panujący do niedawna chaos uniemożliwiał kontrolę nad strumieniem odpadów i sposobem ich zagospodarowania. Nowa ustawa, jakkolwiek nie jest pozbawiona wad, zbliża Polskę do osiągnięcia standardów europejskich przede wszystkim poprzez wyznaczenie podmiotu regionalnego, odpowiedzialnego za realizację celów i strategii ustalanych na poziomie krajowym i europejskim.

Literatura[1] 75/442/EWG: Dyrektywa Rady z dnia 15 lipca 1975r. w sprawie odpadów. [2] 91/156/EWG: Dyrektywa Rady z dnia 18 marca 1991r. w sprawie odpadów. [3] 1999/31/WE: Dyrektywa Rady z dnia 26 kwietnia 1999r. w sprawie składowania odpadów. [4] 2008/98/WE: Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 19 listopada 2008r. w sprawie odpadów oraz uchylająca niektóre dyrektywy. [5] Ustawa z dnia 1 lipca 2011 r. o zmianie ustawy o utrzymaniu czystości i porządku w gminach oraz niektórych innych ustaw[6] Krajowy Plan Gospodarki Odpadami 2014: Uchwała nr 217 Rady Ministrów z dnia 24 grudnia 2010r.[7] Sprawozdanie z realizacji Krajowego Planu Gospodarki Odpadami 2010 za okres od dnia 1 stycznia 2007 r. do dnia 31 grudnia 2008 r.

Ministerstwo Środowiska, Warszawa, 2009.

Rys 3. Odpady z budowy, remontów i demontażu obiektów budowlanych [6]


66

Wpływ właściwości betonów na kruszywach z recyklingu na kontrolę stanów granicznych

Grzegorz WandzikPolitechnika ŚląskaGliwice, [email protected]

Słowa kluczowe: betony na kruszywach z recyklingu, właściwości betonu, projektowanie elementów żelbetowych, stany graniczne

1. WprowadzenieZastąpienie nowych kruszyw naturalnych kruszywami z recyklingu skutkuje zmianami właściwości otrzymanych betonów. W ramach tematu

4.1. projektu POIG prowadzone są badania laboratoryjne [1], których celem jest:(1) porównanie podstawowych właściwości materiałowych betonów różniących się jedynie typem zastosowanego kruszywa,(2) wykonanie badań porównawczych prostych elementów konstrukcyjnych (belek i słupów) w celu oceny wpływu właściwości na ich zachowanie (odkształcalność, zarysowanie i nośność).

Popularyzacja betonów z recyklingu jest trudna ze względu na obawy projektantów związane z możliwością uzyskania oczekiwanych cech materiałowych oraz ewentualną odmiennością zachowania się tych elementów w stosunku do elementów wykonanych na nowych kruszywach naturalnych. Tak więc, jednym z zadań realizowanych w tym zadaniu projektu POIG jest zwiększenie świadomości projektantów związane z konsekwencjami wyboru betonu na kruszywach wtórnych.

Należy jednak wiedzieć, że trudno sformułować zalecenia o charakterze ogólnym, które będą mogły być wykorzystywane w przypadku dowolnego betonu wykonanego z kruszyw wtórnych. W każdym przypadku należy liczyć się z koniecznością wykonania poszerzonych badań cech doraźnych tego typu betonów.

Uważa się, że popularyzacji idei recyklingu służyć może instrukcja, której zawartość stanowić będą wyniki porównawczych analiz obliczeniowych. Ich celem jest wskazanie jaki jest wpływ właściwości tego typu betonów na zachowanie elementów konstrukcyjnych wykonanych przy ich użyciu. Wnioski wynikające z przeprowadzonych analiz powinny umożliwiać ocenę, które ze stanów granicznych będą w przypadku betonów na kruszywach wtórnych wymagały zwrócenia szczególnej uwagi oraz które z nich mogą okazać się trudniejsze do spełnienia niż w przypadku betonów na kruszywach nowych.

2. Analiza obliczeniowaW ramach tematu 4.1. wykonywane są porównawcze analizy obliczeniowe stanów granicznych nośności i użytkowalności przekrojów oraz

elementów wykonanych z betonów na kruszywach z recyklingu (BKR) i odpowiadających im betonów na kruszywach naturalnych (BKN). Punktem wyjścia są właściwości betonów określone w ramach dotychczasowych badań zrealizowanych w laboratorium Politechniki Śląskiej w Gliwicach [1], [2]. Są nimi średnie wartości podstawowych cech wytrzymałościowych: (wytrzymałość na ściskanie fcm, wytrzymałość na rozciąganie fctm) i odkształceniowych (moduł sprężystości Ecm, współczynnik pełzania określony po 360 dniach oraz odkształcenia skurczowe).

We wspomnianych wyżej badaniach wyznaczano właściwości betonów wykonanych na 3 typach kruszyw: otoczakowym (O), granitowym (G) i bazaltowym (B). W każdej z grup przygotowano betony na kruszywie:

• naturalnym, w całości „nowym”, zarówno grubym, jak i drobnym (symbole ONN, GNN i BNN),• grubym kruszywie z recyklingu i nowym kruszywie drobnym (symbole ORN, GRN i BRN) oraz • drobnym i grubym kruszywie w całości z recyklingu (symbole ORR, GRR i BRR).Podstawowym założeniem prowadzonych analiz obliczeniowych było uzyskanie odpowiedzi na pytanie: Jak zmiana właściwości betonów

wynikająca z zastosowania kruszyw z recyklingu wpływa na spełnienie warunków stanów granicznych nośności i użytkowalności. Uzyskanie wyczerpującej odpowiedzi na tak postawione pytanie wymagało wykonania obliczeń szeregu elementów. W celu przeprowadzenia takich wielokrotnych analiz konieczne było opracowanie programu komputerowego, którym umożliwia wykonanie obliczeń wytrzymałościowych elementów żelbetowych dla betonów o indywidualnie zdefiniowanych cechach. Bezpośrednia kontrola stanów granicznych lub wyznaczanie wielkości pośrednio wykorzystywanych do ich kontroli (np. sztywności giętnej) odbywała się z wykorzystaniem wytycznych Eurokodu 2 [3]. Przyjęto, podobnie jak zaleca się to w przypadku lekkich betonów kruszywowych, że w projektowaniu dopuszcza się stosowanie zależności dla betonów zwykłych, a za zróżnicowanie takich wielkości jak: nośność, szerokość rozwarcia rys i ugięcia odpowiadają zmodyfikowane podstawowe właściwości betonu.

Analizie poddano szereg hipotetycznych elementów (płyt, belek, słupów) różniących się wymiarami przekroju, zbrojeniem i smukłością (w przypadku słupów). W każdej sytuacji obliczenia powtarzane były trzykrotnie. Zakładano w nich, że obliczany element wykonany jest z zastosowaniem jednej z trzech odmian betonu różniących się zastosowanym kruszywem (np. kruszywem otoczakowym w wariantach ONN, ORN i ORR). W ten sposób oceniano wpływ właściwości betonu wynikających z zastosowania kruszywa z recyklingu na:

• nośność przekrojów poddanych działaniu sił osiowych i momentów zginających (w powiązaniu z zastosowaną ilością zbrojenia),• efekty drugiego rzędu w projektowaniu słupów za pomocą metody nominalnej sztywności,• projektowanie strefy przypodporowej na działanie sił poprzecznych,• rysoodporność (moment pojawienia się rys i szerokość ich rozwarcia),• sztywność giętną i w konsekwencji ugięcia elementu,• warunki konstrukcyjne (np. długość zakotwienia).Aktualnie, na ukończeniu są prace związane z automatyzacją obliczeń stanów granicznych oraz równolegle trwają porównawcze analizy

obliczeniowe. Ograniczona objętość streszczenia uniemożliwia przedstawienie wyników tych analiz i ma jedynie charakter informacyjny.Na rys. 1 przedstawiono porównanie nośności przekrojów dwóch słupów o wymiarach 400x400 mm zbrojonych obustronnie 4 prętami


67

o średnicy 20mm. Porównanie obejmuje wyniki uzyskane dla betonów na kruszywach otoczakowym: całkowicie nowym (ONN) i częściowo nowym i z recyklingu (ORN). Cechy wytrzymałościowe betonów wykorzystane w analizie zamieszczono w [1].

Publikację przygotowano w ramach projektu badawczego w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka – POIG.01.01.02-10-106/09 (temat PT4.1).

Literatura[1] AJDUKIEWICZ A., KLISZCZEWICZ A., “Właściwości doraźne i reologiczne betonów konstrukcyjnych na kruszywach z recyklingu”, Zeszyty

Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, Nr 283, Budownictwo i Inżynieria Środowiska z. 59 (3/2012/III), s. 173-180.[2] AJDUKIEWICZ A., KLISZCZEWICZ A., “Influence of recycled aggregate on mechanical properties of HS/HPC” Cement and Concrete

Composities 24 (2002), pp.269-279.[3] PN-EN 1992-1-1:2008 Eurokod 2. Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków. PKN Warszawa 2010.

Rys 1. Porównanie nośności dwóch przekrojów słupów o wymiarach 400x400 mm zbrojonych obustronnie 4 prętami o średnicy 20mm z betonów ONN i ORN – a) interakcja nośności; b) przekrój


68

Trwałość mieszanek mineralno-cementowo-emulsyjnych w nawierzchniach drogowych

Antoni SzydłoPolitechnika Wrocławska Wrocław, Polandantoni.szydł[email protected]

Łukasz SkotnickiPolitechnika Wrocławska Wrocław, [email protected]

Jarosław KuźniewskiPolitechnika Wrocławska Wrocław, [email protected]

Słowa kluczowe: nawierzchnie drogowe, trwałość zmęczeniowa, modele nawierzchni drogowych

1. WstępWzrost cen ropy naftowej – (paliw i asfaltów) oraz deficyt kruszyw wysokiej jakości spowodowały szerokie zainteresowanie w poszukiwaniu

alternatywnych metod budowy, pozwalających na zwiększenie efektywności naprawy dróg. W efekcie powstają innowacyjne technologie pozwalające na powtórne wykorzystanie recyklowanych materiałów drogowych. Wykorzystywanie 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.

2. Cel tematu badawczegoW ramach Pakietu Tematycznego PT4 PO IG- Recykling materiałów i elementów budowlanych, materiały alternatywne, realizowany jest temat

PT4-2 „Recykling istniejących nawierzchni drogowych, powtórne wykorzystanie odzyskanych materiałów-prognozowanie ich trwałości”.Efektem Projektu będzie rozwój polskiej gospodarki w wyniku współpracy działalności naukowej wraz z przedsiębiorstwami komercyjnymi.

Cel projektu zostanie zrealizowany poprzez przeprowadzenie prac naukowo – badawczych, wykonywanych na potrzeby przemysłu drogowego. Wpłynie to korzystnie na rozwój gospodarki całego kraju. Wykonywane prace uwzględniają aktualne potrzeby ochrony środowiska, poprzez wykorzystanie alternatywnych materiałów i recykling zdegradowanych nawierzchni drogowych.

Podstawowym celem tematu badawczego jest opracowanie procedur badań i oceny trwałości zmęczeniowej materiałów odzyskanych z nawierzchni drogowych i powtórnie scalonych w technologii na zimno za pomocą spoiw asfaltowych i cementowych. Materiały te należy wbudowywać w podbudowy nawierzchni drogowych asfaltowych oraz betonowych. W ramach tematu badawczego analizowane są cechy fizyczne, wytrzymałościowe oraz zmęczeniowe powstałych konglomeratów, jak również opracowywane są wytyczne oceny jakości recyklowanych i powtórnie wbudowanych materiałów. Podstawowymi badaniami są analizy zmęczeniowe, niezbędne do oceny trwałości zmęczeniowej konstrukcji nawierzchni drogowych. Opracowano modele obliczeniowe nawierzchni drogowych, zawierających materiały pochodzące z recyklingu. Modele oraz kryteria zmęczeniowe pozwolą na przygotowanie algorytmów wymiarowania nawierzchni drogowych, zawierających recyklowane materiały drogowe i wbudowane w technologii na zimno.

3. Zakres analizZaproponowano nową technologię powtórnego wykorzystania materiałów recyklowanych tzw. mieszanki mineralno-cementowo-emulsyjnej

(MCE). Wykonano wstępne badania doświadczalne na materiale przygotowanym w laboratorium oraz w terenie, na odcinku doświadczalnym. Opracowano procedurę doboru składu mieszanki powstającej z materiałów recyklowanych. Dla uzyskanych mieszanek mineralno-cementowo-emulsyjnych (MCE) utworzono stanowisko badawcze do badań zmęczeniowych i przeprowadzono badania: stabilności i odkształcenia wg Marshalla, zawartości wolnych przestrzeni, wskaźnika zagęszczenia, wytrzymałości na ściskanie, mrozoodporności oraz badania zmęczeniowe. Został opracowany skład ilościowy mieszanek mineralno-cementowo-emulsyjnych z wykorzystaniem materiału recyklowanego.

Mieszanki te zostały wykorzystane przy realizacji remontu ulicy Avicenny we Wrocławiu, gdzie zastosowano technologię recyklingu. Dokonano oceny stanu zdegradowanej nawierzchni drogowej i zaproponowano innowacyjną technologię jej naprawy, uwzględniającą powtórne wykorzystanie materiałów konstrukcyjnych. Zaproponowano dodatkowe metody badań mieszanek mineralno-cementowo-emulsyjnych: uziarnienie składu, badanie na ściskanie, badanie na zginanie, oznaczanie modułów oraz badania zmęczeniowe. Wykonano serie próbne zarobów z materiałów pobranych z ulicy Avicenny, która była poligonem doświadczalnym wdrażanej technologii. Przeprowadzono również analizę wpływu składu na badane cechy takie jak: wytrzymałość na ściskanie czy zginanie. Stwierdzono, że na badane cechy ma wpływ temperatura badania oraz zawartość asfaltu i cementu. Analizowano również mrozoodporność badanego konglomeratu tworzącego MCE.

Dokonano poszerzonych badań mieszanek mce, w tym również ocenę parametrów wpływających na zmęczenie oraz wykonano ocenę tych parametrów dla mieszanek mce. Opracowano procedury badań modułów mieszanek mce oraz przeprowadzono badania identyfikacyjne modułów mieszanek mce. Przeprowadzona została analiza wpływu parametrów na moduły mieszanek mce. W wyniku studiów nad modelami matematycznymi stwierdzono, że badania modułów mieszanek są badaniami, które pozwolą na jakościową ocenę wbudowanego materiału oraz pozwolą na ocenę trwałości zmęczeniowej badanych mieszanek. Stwierdzono, że na moduły sztywności mieszanek MCE ma wpływ temperatura badania oraz zawartość asfaltu i cementu.

W ramach Projektu sprawowany był nadzór naukowy nad wbudowanym odcinkiem In situ. Na odcinku doświadczalnym przeprowadzono badania nośności konstrukcji nawierzchni drogi. Na podstawie obliczeń odwrotnych oszacowano sztywność warstw oraz trwałość nawierzchni drogowej. Porównano wyniki badań laboratoryjnych z wynikami badań z poligonu doświadczalnego w zakresie modułów. Stwierdzono dużą zbieżność wartości zespolonego modułu sztywności określonego metodami laboratoryjnymi w stosunku do sztywności rzeczywistej warstwy MCE oszacowanej metodami obliczeniowymi. Korelacja wyników pozwoliła na stwierdzenie, iż stosowane metody projektowania i wykonywania mieszanek MCE, a także metody teoretyczne szacowania sztywności projektowanej warstwy, wykonanej w technologii recyklingu, są właściwe. Analizowano laboratoryjną trwałość zmęczeniową mieszanek powstałych w wyniku recyklingu.

Na podstawie badań mieszanek MCE zaproponowano modele reologiczne opisujące zachowanie się badanego materiału pod wpływem obciążeń eksploatacyjnych. Wykorzystując analizę modeli matematycznych wskazano na główne parametry reologiczne decydujące o właściwościach mieszanek. Na odcinku doświadczalnym przeprowadzono szereg badań, w tym nieniszczące badania nośności nawierzchni metodą FWD. Po okresie eksploatacji nawierzchni, przeprowadzono powtórne badania nośności oraz analizy stanu powierzchni warstwy ścieralnej (równość, szorstkość). Stwierdzono wystarczającą nośność innowacyjnej nawierzchni. Parametry szorstkości oraz równości również są odpowiednie.


69

4. PodsumowanieSformułowano wnioski końcowe z przeprowadzonego eksperymentu oraz zalecenia dotyczące stosowania innowacyjnej technologii recyklingu

na zimno z wykorzystaniem mieszanek MCE. Opracowano wytyczne wdrożenia kryteriów zmęczeniowych do projektowania nawierzchni drogowych. Wykonano analizę możliwości wykorzystania innowacyjnej technologii oraz sprecyzowano wymagania sprzętowe.

Efektem końcowym Projektu jest raport zawierający kryteria określania trwałości nawierzchni drogowych zawierających materiał recyklowany, oraz wytyczne dotyczące badań sztywności i analiz zmęczeniowych mieszanek MCE.

Prace prowadzone w ramach Projektu pozwolą na zwiększenie udziału innowacyjnych produktów polskiej gospodarki w rynku międzynarodowym. Współpraca środowisk akademickich z przemysłem, wpłynie na zwiększenie roli nauki w rozwoju gospodarczym kraju, oraz na wzrost konkurencyjności i innowacyjności przedsiębiorstw.


70

Recykling na zimno konstrukcji nawierzchni drogiz zastosowaniem technologii asfaltu spienionego

Marek Iwański Politechnika Świętokrzyska Kielce, [email protected]

Anna Chomicz-KowalskaPolitechnika Świętokrzyska Kielce, [email protected]

Przemysław BuczyńskiPolitechnika Świętokrzyska Kielce, [email protected]

Słowa kluczowe: recykling głęboki na zimno, asfalt spieniony

1. WprowadzenieStale pogarszający się stan techniczny asfaltowych nawierzchni dróg jest jednym z najważniejszych problemów drogownictwa w Polsce.

Wymagania jakie powinna spełnić konstrukcja nawierzchni drogowej, to m.in. bezpieczne przeniesienie obciążeń zewnętrznych od poruszających się po niej pojazdów na podłoże gruntowe w projektowanym okresie eksploatacji. Aby spełnić te wymagania należy zastosować odpowiednią technologię budowy lub naprawy zależną od rodzaju uszkodzeń i stanu nawierzchni. W przypadku mocno zniszczonych nawierzchni asfaltowych, na których występują koleiny lub pęknięcia zmęczeniowe coraz częściej stosowaną metodą naprawy jest technologia recyklingu na zimno. Metoda ta pozwala na wykorzystanie materiałów ze zużytej nawierzchni asfaltowej, gdzie warstwy wyeksploatowanej nawierzchni po odpowiednim rozdrobnieniu i poddaniu procesowi mieszania w określonych proporcjach ze spoiwem (np.: cementem) i lepiszczem (np.: emulsją asfaltową, asfaltem spienionym) lub z nowym kruszywem doziarniającym tworzą nową warstwę podbudowy. Technologia ta umożliwia przebudowę całej konstrukcji nawierzchni oraz przyczynia się do utylizacji materiału odpadowego np.: pyłu mineralnego otrzymanego podczas procesu odpylania kruszywa przy produkcji mieszanek mineralno-asfaltowych oraz materiału powstającego w procesie frezowania. Stosując technologię recyklingu na zimno unika się emisji do atmosfery szkodliwych związków w przeciwieństwie do innych metod np.: recyklingu na gorąco. W Polsce stosuje się recykling na zimno najczęściej na miejscu budowy wykorzystując dodatek łącznie cementu i emulsji asfaltowej, czyli podczas wykonywania warstwy podbudowy z mieszanki mineralno-cementowo-emulsyjnej. Natomiast ciągły wzrost prac w zakresie modernizacji eksploatowanej sieci drogowej w naszym kraju związany z koniecznością poprawy nośności konstrukcji nawierzchni wskazuje na potrzebę wdrażania i stosowania na większą skalę bardziej nowoczesnej technologii recyklingu na zimno, w której zamiast emulsji asfaltowej stosowany jest asfalt spieniony. Technologia ta pozwala uzyskać większą trwałość nawierzchni przy oddziaływaniu agresywnego obciążenia ruchem i bardziej niekorzystnych warunków klimatycznych.

2. Cel i zakres prowadzonych prac badawczychCelem prac badawczych była ocena właściwości mieszanek z asfaltem spienionym przeznaczonych na warstwę podbudowy w technologii

recyklingu głębokiego na zimno. Badania przeprowadzono na mieszankach,w których stosowano materiał pozyskany z istniejących warstw konstrukcji nawierzchni drogowej: destrukt asfaltowy oraz destrukt

z podbudowy tłuczniowej. Jako lepiszcze asfaltowe w badaniach stosowano asfalt spieniony wytworzony na bazie lepiszcza 85N oraz 50/70, natomiast jako spoiwo hydrauliczne zastosowano cement portlandzki (CEM I 32,5R). Zaprojektowane mieszanki różniły się składem oraz ilością użytych materiałów wiążących. Zaprojektowano również mieszanki mineralne z asfaltem spienionym zawierające w swoim składzie pyły mineralne (gabrowe, kwarcytowe) w ilości 5%, 10%, 15% i 20% otrzymane z instalacji odpylania kruszywa na wytwórni mieszanek mineralno-asfaltowych.

Zakres prac badawczych obejmował ustalenie wpływu stosowanych do recyklowanych mieszanek podbudowy materiałów wiążących (asfaltu spienionego, cementu portlandzkiego) oraz pyłów mineralnych na zmiany badanych parametrów przy zmianie poziomu analizowanych czynników. Ocenie poddano podstawowe właściwości fizyczne i mechaniczne mieszanek podbudowy wykonanych w technologii recyklingu na zimno oraz określono jej odporność na powstawanie odkształceń trwałych. Ponadto ze względu na warunki klimatyczne występujące w naszym kraju zakres prac laboratoryjnych obejmował również określenie odporności tego rodzaju materiału na oddziaływanie wody i mrozu w szerszym zakresie niż podają w ramach tej technologii opracowane wymagania. W celu określenia podstawowych właściwości fizyczno-mechanicznych podbudowy z asfaltem spienionym i pyłami mineralnymi w aspekcie ich ilości oznaczono m.in. następujące parametry: nasiąkliwość wagową, zawartość wolnej przestrzeni, stabilność odkształcenie i sztywność wg Marshalla oraz wytrzymałość na pośrednie rozciąganie przed i po nasączeniu wodą. Ocenę odporności na oddziaływanie wody oraz mrozu dokonano na podstawie analizy wskaźnika TSR oraz wg amerykańskiej normy AASHTO T283. Ponadto określono odporność podbudowy z asfaltem spienionym na powstawanie deformacji trwałych oznaczoną w badaniu koleinowania.

W odniesieniu do wymagań dla podbudowy wykonanej w technologii recyklingu na zimno z emulsją asfaltową (mieszanki MCE) stwierdzono, że badane mieszanki z asfaltem spienionym spełniają założone wymagania w zakresie analizowanych cech fizycznych i mechanicznych. Zanotowano, że zastosowanie pyłów mineralnych jako składnika mieszanki mineralnej nie powoduje pogorszenia właściwości recyklowanej podbudowy. Dodatkowo stwierdzono, iż zastosowanie pyłów gabrowych pozwala na uzyskanie korzystniejszych parametrów recyklowanej mieszanki podbudowy w porównaniu z pyłami kwarcytowymi. Uwzględniając badanie odporności na deformacje trwałe (oznaczone przez parametr PRDAIR oraz WTSAIR) stwierdzono, że recyklowana mieszanka podbudowy z pyłami mineralnymi pochodzenia gabrowego charakteryzuje się bardzo małymi wartościami parametrów badania deformacji trwałych. Uzyskane wartości wymienionych parametrów potwierdzają nośny charakter recyklowanej mieszanki podbudowy. Na podstawie uzyskanych wyników badań wykonano analizę statystyczną oraz ustalono zależności pomiędzy badanymi cechami recyklowanych mieszanek podbudowy z asfaltem spienionym w zakresie rozpatrywanych czynników (ilość asfaltu spienionego oraz ilość i rodzaj pyłów mineralnych). Na podstawie optymalizacji wielokryterialnej przy pomocy funkcji użyteczności Harringtona określono optymalny skład recyklowanych mieszanek przeznaczonych na warstwę podbudowy w technologii recyklingu na zimno w aspekcie składu mieszanki mineralnej oraz rodzaju i ilości materiałów wiążących i pyłów mineralnych. Wyniki optymalizacji wielokryterialnej wykazały, że możliwe jest zastosowanie pyłów mineralnych z odpylania kruszywa w recyklowanej podbudowie z asfaltem spienionym. Istotne jest określenie rodzaju pyłu mineralnego oraz odporności na oddziaływanie czynników klimatycznych, które wpływają na jakość recyklowanej mieszanki podbudowy. Potwierdzają to wyniki optymalizacji recyklowanej podbudowy zawierającej w swoim składzie pyły pochodzenia kwarcytowego. W tym przypadku recyklowana podbudowa z asfaltem spienionym nie jest odporna na działanie czynników klimatycznych co przeważyło na braku spełnienia kryteriów optymalizacyjnych. Natomiast recyklowana podbudowa zawierająca w swoim składzie pyły pochodzenia gabro z odpylania kruszywa na wytwórni mieszanek mineralno-asfaltowych charakteryzowała się przedziałami, w których spełnione są wszystkie kryteria optymalizacyjne. Uzyskane wyniki badań pozwalają stwierdzić, że istnieje możliwość utylizacji pyłów mineralnych zwłaszcza o charakterze zasadowym (gabrowych) w technologii recyklingu


71

głębokiego na zimno z asfaltem spienionym przy zachowaniu wymagań jakościowych. Zastosowanie tego rodzaju materiału zapewnia odporności na działanie wody i mrozu recyklowanej podbudowy z asfaltem spienionym. Natomiast wykorzystanie pyłów kwarcytowych (kwaśnych) powoduje spadek odporności na działanie tych czynników klimatycznych, w związku z tym przydatność tych pyłów jest ograniczona. Przeprowadzone badania potwierdzają celowość stosowania asfaltu spienionego podczas recyklingu konstrukcji istniejących nawierzchni drogowych z uwagi na czynniki ekonomiczne i ekologiczne związane ze stosowaniem tej technologii.

Literatura[1] Chomicz-Kowalska A.: Odporność na oddziaływanie wody i mrozu podbudowy w technologii recyklingu z asfaltem spienionym. Praca doktorska.

Kielce, 2011.[2] Buczyński P.: Wpływ pyłów powstających w procesie odpylania kruszywa na właściwości podbudowy z asfaltem spienionym. Praca doktorska.

Kielce, 2013.[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, s. 185-198, 2012.


72

Propozycja wytycznych krajowych klasyfikowania elementów z rozbiórek do powtórnego zastosowania

Janusz Brol Politechnika Śląska Gliwice, [email protected]

Katarzyna Adamczyk Politechnika Śląska Gliwice, [email protected]

Szymon Dawczyński Politechnika Śląska Gliwice, Polandszymon.dawczyń[email protected]

Słowa kluczowe: konstrukcje budowlane, recykling, powtórne użycie (reuse)

Problematyka ponownego wykorzystania elementów konstrukcyjnych pochodzących z rozbiórki w Polsce jest zagadnieniem stosunkowo mało znanym. Nie dostrzeganie potencjału drzemiącego w recyklingu (użycie w całości lub częściowe przetworzenie) wynika głównie z łatwości pozyskiwana nowych materiałów i trudności w ocenie przydatności do ponownego wykorzystania elementów pozyskanych z rozbiórki. W dobie ogólnoświatowego kryzysu gospodarczego i jednocześnie zwiększonej świadomości ekologicznej pozyskiwanie materiałów z recyklingu zaczyna być postrzegane jako ważny element zrównoważonego rozwoju w budownictwie.

Przeprowadzone w ramach projektu studium literaturowe, jak też realizowane badania in situ i laboratoryjne (wybranych elementów konstrukcyjnych) oraz zebrane doświadczenia uwidaczniają jakie możliwości, ale i trudności stwarza powtórne wykorzystanie (reuse) całych elementów konstrukcyjnych pochodzących z rozbiórki. Zagadnienie to wpisuje się równocześnie w kilka obszarów takich jak:

• gospodarcze (oszczędność środków i energii),• środowiskowych (ograniczenie odpadów),• społecznych (przepływ informacji),• prawnych (normy, atesty),• technicznych (normy, diagnostyka, zabiegi naprawcze).

Obecnie w Polsce nie istnieją żadne wytyczne klasyfikowania oraz określania stopnia zużycia elementów pochodzących z rozbiórki pod kątem ich przydatności do ponownego wykorzystania. Częstokroć są to elementy w pełni użyteczne technicznie, a jedynie ze względów funkcjonalnych przestały pełnić dotychczasową funkcję.

Przed przystąpieniem do rozbiórki danego obiektu budowlanego zaleca się wykonanie oceny stanu technicznego poszczególnych elementów konstrukcyjnych pod kątem możliwości ich ponownego wykorzystania w całości, bądź jako elementy składowe. Ocena taka powinna być podstawą do wykonania projektu rozbiórki, który powinien przewidywać taki harmonogram robót aby elementy, które mają zostać odzyskane nie zostały uszkodzone lub zniszczone.

Proces oceny technicznej i kwalifikacji elementów rozbiórkowych do ponownego wykorzystania powinien składać się z następujących etapów:1. Pozyskanie i analiza dostępnej dokumentacji technicznej 2. Wizja lokalna, pomiary i badania polowe. 3. Pobranie próbek, badania materiałowe i wytrzymałościowe. 4. Raport końcowy.

W procesie oceny materiałów pochodzących z rozbiórki pod kątem ich ponownego wykorzystania najważniejszym zagadnieniem jest określenie aktualnych parametrów wytrzymałościowych i trwałościowych tych elementów. Podstawą wstępnej oceny mogą być nieniszczące badania przeprowadzane w warunkach polowych (na istniejącej konstrukcji, zanim rozpocznie się proces rozbiórki). Jeżeli wyniki takich badań są niejednoznaczne albo potrzebna jest dokładna ocena powinno się wykonać wytrzymałościowe badania laboratoryjne na próbkach pobranych z wbudowanych elementów. Procedura taka wydłuża sam proces rozbiórki, ale daje podstawy do dokładniejszej oceny i ewentualnej kwalifikacji elementów do ponownego wykorzystania. Przy ocenie wytrzymałościowej materiałów wbudowanych, nawet jeżeli dysponujemy oryginalną dokumentacją projektową, mogą pojawić się trudności które mają istotny wpływ na nośność, a wynikają z konieczności uwzględnienia:

• wpływu czasu na parametry wytrzymałościowe – zwłaszcza w przypadku elementów drewnianych,• warunków środowiskowych w jakich pracowała dana konstrukcja – dotyczy zarówno konstrukcji drewnianych, stalowych, murowych,

jak i żelbetowych,• właściwej konserwacji (lub jej braku) – zwłaszcza w przypadku elementów stalowych,• historii napraw, modernizacji, zastosowanych wzmocnień itp.,• norm projektowych jakie obowiązywały w trakcie wznoszenia obiektu rozbieranego,• ewentualnej korozji biologicznej lub chemicznej (w żelbecie – badanie karbonatyzacji),• w przypadku materiałów złożonych takich jak np. żelbet – aktualnego stanu powierzchni betonu i zaawansowania procesów korozji stali

zbrojeniowej.Pomimo wymienionych powyżej czynników, mając do dyspozycji specjalistyczną aparaturę badawczo-diagnostyczną oraz odpowiednie

doświadczenie zawodowe, można ocenę parametrów wytrzymałościowych wykonać stosunkowo szybko i dokładnie. Oczywistym jest, że realizacja szerokiego spektrum badań nie będzie opłacalna dla pojedynczych elementów konstrukcyjnych, ale w przypadku oceny większej grupy jednakowych lub podobnych elementów koszt jednostkowy będzie zdecydowanie niższy od produkcji nowych elementów.

Propozycję procedury oceny i klasyfikacji przydatności elementów z rozbiórki do ponownego wykorzystania przedstawiono na poniższym schemacie blokowym. Jest to gotowy schemat postępowania, który pomoże zaplanować poszczególne czynności związane procedurą rozbiórki obiektu oraz odzyskiem elementów mogących zostać ponownie wykorzystanych.


73


74

Słowa kluczowe: siatki tekstylne, teksbet, badania długotrwałe

1. WstępZakres drugiej grupy badań w temacie PT4.5 obejmował badania długotrwałe współpracy silnych siatek z włókien szklanych, z włókien PVA

(poliwinyloalkoholowych) i z włókien węglowych z betonem drobnoziarnistym w elementach cienkościennych. Badania te wykonano w oparciu o wyniki pierwszej grupy badań pod obciążeniem doraźnym cienkich płyt zbrojonych siatkami tekstylnymi.

2. Elementy próbneW badaniach doraźnych została odrzucona – poprzednio stosowana – siatka mieszana z włókien węglowych i szklanych (S&P Carbophalt G),

a zastąpiono ją silnymi siatkami systemu S&P ARMO-mesh, jako bardziej nowoczesnymi, wprowadzonymi do produkcji w 2012r. W pierwszej kolejności wykonana była seria, w skład której wchodziły dwie płyty zbrojone siatkami niemetalicznymi i jedna prętami stalowymi.

Druga seria składała się z dwóch płyty zbrojonych siatkami węglowymi S&P L200 i dwóch siatkami S&P L500. W sumie badaniu podlegała grupa składająca się z 7 elementów. Płyty wykonano identycznie jak płyty do badań doraźnych.

Z partii betonu, z której wykonano płyty, pobrano po trzy próbki walcowe, w celu potwierdzenia parametrów wytrzymałościowych. Z jednego zarobu wykonano po dwie płyty.

3. Harmonogram obciążeniaW badaniach długotrwałych zastosowano ten sam schemat statyczny co w badaniach doraźnych, tzn. płyty wolnopodpartej. Założono

utrzymywanie obciążenia na płytach przez ponad pół roku. W trakcie badań rejestrowano temperaturę i wilgotność otoczenia w bezpośrednim sąsiedztwie badanych elementów. Wartość obciążenia równomiernie rozłożonego qrys w poszczególnych etapach przyjęto jednakowy dla wszystkich płyt, a ustalono go na podstawie wartości momentu rysującego dla średniej siły Frys płyt żelbetowych, uzyskanej w badaniach doraźnych.

Obciążenie płyt przebiegało wieloetapowo. Pierwszy etap obciążenia został zainicjowany po 28 dniach od chwili zabetonowania płyt. Kolejne etapy obciążenia następowały w momencie stabilizacji wartości ugięcia, lecz nie wcześniej niż wynikało to z harmonogramu (rys. 1). Ustalono, że etap I (dopasowanie modeli) będzie trwać 14 dni i będzie składać się z dwóch części. W części pierwszej, trwającej 7 dni, płyty pozostawały pod obciążeniem wynoszącym ok. 25% obciążenia rysującego, po czym nastąpiło odciążenie i zwiększenie obciążenia – do 50% obciążenia rysującego. Po kolejnych siedmiu dniach płyty dociążono do 70% obciążenia rysującego, co zapoczątkowało II etap trwający trzy miesiące. W etapie III dociążono płyty do 95% obciążenia rysującego i taki stan trwał kolejne 3 miesiące. Jeżeli w tym czasie nie wystąpiło zarysowanie płyty, a wartość ugięcia ustabilizowała się, zwiększano obciążenie w IV etapie przez okres kolejnych 3 miesięcy – maksymalnie do wartości 125% obciążenia rysującego.

W przypadku pierwszej serii elementów, po zakończeniu III etapu obciążenia, ze względów technicznych (remont laboratorium) przeprowadzono całkowite odciążenie płyt. Po krótkim okresie ponownego dopasowania pod obciążeniem etapu I, dociążono płyty do poziomu etapu IV.

Zabieg odciążenia płyt i dopasowania trwał w sumie 3÷4 dni. W tym czasie prowadzono pomiar ugięcia. Wartości ugięć odczytywano z czujników zegarowych, co najmniej trzykrotnie w każdym etapie obciążenia i odciążenia.

Każda z płyt została wyposażona w 6 czujników zegarowych do pomiaru przemieszczenia, rozmieszczonych wzdłuż rozpiętości płyty. Pierwsza seria płyt została dodatkowo oprzyrządowana w tensometry elektrooporowe typu RL 285/75, mierzące odkształcenia w środku rozpiętości, w strefie ściskanej płyty. Bardziej wnikliwą rejestrację zarysowania zaplanowano w etapach III lub IV obciążenia, w elementach, w których spodziewano zarysowania.

Badania długotrwałe prefabrykowanych płyt betonowych zbrojonych silnymi siatkami tekstylnymi

Bernard KotalaPolitechnika Śląska Gliwice, [email protected]

Marek WęglorzPolitechnika Śląska Gliwice, [email protected]

Rys 1. Harmonogram obciążenia w badaniach długotrwałych


75

4. Wyniki badań długotrwałychCharakter pracy płyt był podobny. Zachowanie się płyt w czasie badania przedstawiają wykresy ugięcia w funkcji czasu (rys. 2), obrazujące

ugięcia w środku rozpiętości badanych płyt.

W pierwszych trzech etapach obciążenia elementy z teksbetu pod obciążeniem o dużej intensywności, tj. ok. 7 kN/m2 charakteryzowały się mniejszą wartością ugięć w stosunku do płyty żelbetowej. W tym zakresie obciążeń w płytach nie stwierdzono zarysowań.

W przypadku płyt S&P L200 i S&P L500 w fazie III pojawiły się nieznaczne różnice świadczące o osłabieniu przekroju (nie zaobserwowano zarysowań płyt od spodu), co może oznaczać, iż doszło do mikrozarysowań elementów, jednak wciągnięte do współpracy zbrojenie uniemożliwiło powstanie widocznych rys. W IV etapie obciążenia nastąpiło zarysowanie płyty zbrojonej siatką z włókna szklanego (AR-GLASS) i z włókna węglowego (S&P L500, nr 2), w obu elementach rozwartość rysy nie przekroczyła 0,1 mm, co świadczy o dobrej współpracy betonu z takim rodzajem zbrojenia.

Płyty zbrojone siatką z włókien PVA i siatkami z włókna węglowego S&P L200 oraz S&P L500 przez cały okres badania wykazywały mniejsze ugięcie w środku rozpiętości od pozostałych płyt. Wskazywałoby to na szybkie włączenie siatki do współpracy z betonem w fazie niezarysowanej (lub dla mikrorys), co znajduje potwierdzenie również w większej wartości nachylenia krzywej „siła – przemieszczenie” uzyskanej w badaniach doraźnych.

Wszystkie płyty pozostające pod obciążeniem długotrwałym charakteryzowały się sprężystym charakterem pracy. W badaniach elementów zbrojonych siatkami z włókien niemetalicznych pod obciążeniem długotrwałym, stwierdzono znaczną efektywność

tego zbrojenia, co najmniej na poziomie zbrojenia tradycyjnego.

Rys 2. Badania długotrwałe: a) stanowisko badawcze, b) wykres zmian ugięć w czasie; oznaczenia siatek zbrojeniowych: SR – stalowa, AR-GLASS – z włókien szklanych, PVA – z włókien poliwinyloalkoholowych, S&P L500, S&P L200 – hybrydowe: wątek z włókien węglowych i osnowa z włókien szklanych


76

Słowa kluczowe: beton, kruszywo, piasek, wytrzymałość, moduł, skurcz, pełzanie, mrozoodporność, nasiąkliwość, karbonatyzacja.

1. Wytrzymałość betonu.W I Etapie badań jedyną cechą badawczą była wytrzymałość betonu na ściskanie. Badania wytrzymałościowe prowadzono w okresie od

7 do 112 dni. Ogółem przebadano 60 betonów, w dwóch grupach – 30 betonów, przy ilości spoiwa 375kg/m3 i drugie 30 betonów, przy ilości spoiwa 450kg/m3. Przyjęto krzywą uziarnienia o punkcie piaskowym równym 62%. Spoiwem był cement i popiół lotny. Proporcje pomiędzy ilością cementu a ilością popiołu lotnego zawierały się w szerokim zakresie, począwszy od betonów wykonanych jedynie na bazie cementu, do betonów, w których zastosowano jednakową ilość cementu i popiołu lotnego. We wszystkich betonach przyjęto jednakową ilość wody 180dm3/m3 i dzięki zastosowaniu domieszek uzyskano konsystencję powyżej 200 mm opadu stożka. Należy także dodać, że betony wykonano z pięciu różnych cementów portlandzkich z dodatkami. Uzyskane wytrzymałości, po 28 dniach, zawarły się w granicach od 19,3 do 74,2MPa, co odpowiada klasom wytrzymałości - od C12/15 do C50/60, a więc program badań obejmował wszystkie klasy wytrzymałościowe betonów zwykłych. Tak szeroki zakres badań pozwolił na zaproponowanie wzoru wytrzymałościowego (1), w którym uwzględniono następujące parametry: wytrzymałość cementu, gęstość betonu stwardniałego, jamistość mieszanki i ilości poszczególnych składników – cementu, popiołu lotnego i wody.

Beton o dużej zawartości piasku jako alternatywa betonu zwykłego

Dawid MoszczyńskiPolitechnika ŁódzkaŁódź, [email protected]

Artem CzkwianiancPolitechnika ŁódzkaŁódź, [email protected]

Dla wszystkich 60 wyników średnia wartość , zaś średnie odchylenie standardowe wyniosło 4,21MPa (rys. 1.a). Wyniki badań wytrzymałości na ściskanie przeprowadzone w II etapie potwierdziły przydatność tego wzoru. (porównaj rys. 1.b.)

W II etapie badań postanowiono nie zmieniać krzywej uziarnienia; to znaczy zachować punkt piaskowy, równy około 62% i przyjąć nieciągłą krzywą złożoną z piasku i kruszywa 8/16.

Postanowiono pozostać przy konsystencji mieszanki na poziomie ok. 220mm opadu stożka. Taka konsystencja pozwala uzyskać optymalną homogenizację składników betonu, czyli ich dokładne wymieszanie i równomierne rozmieszczenie. Dzięki temu, możliwe jest również, dokładne zwilżenie ziarn kruszywa zaprawą. Przy takiej ciekłości mieszanki łatwiej usuwane są pustki powietrzne, co ma wpływ na strukturę stwardniałego betonu, która jest bardziej szczelna i jednorodna, a co za tym idzie, odporniejsza na wpływy środowisk agresywnych. Beton, który zawiera mniej pustek powietrznych, ma również większą wytrzymałość, zgodnie ze wzorem Fereta. Mieszanka o konsystencji 220mm opadu stożka, jest łatwo pompowalna i nie wymaga intensywnego zagęszczania.

Rys 1.a. i 1.b. Wytrzymałość betonu – porównanie wartości obliczeniowych z doświadczalnymi

w którym: – wytrzymałość cementu na ściskanie po 28 dniach,

w – ilość wody w dm3/m3,h – jamistość mieszanki w dm3m3,ρ – gęstość w kg/m3,c, pl – ilość cementu i popiołu lotnego w kg/m3,a, b, α – współczynniki empiryczne: a=0,7; b=-57; a=0,0037(c+pl)-1,22


77

W celu silnego upłynnienia mieszanki zastosowano dwie domieszki, które były w stanie nadać jej zadaną ciekłość, przez co najmniej 25 minut, bez segregacji składników; przy tym nie traciły swoich właściwości, po zastosowaniu domieszki odpowietrzającej. Zastosowano plastyfikator Plastiment-BVT-99 i upłynniacz ViscoCrete-3, dozowane w następującej kolejności, najpierw plastyfikator, potem upłynniacz. Taka kombinacja dała zadawalające rezultaty. Uzyskano żądaną konsystencję, powyżej 200mm opadu stożka. Przez co najmniej 25 minut nie wystąpiło zjawisko segregacji, a spadek ciekłości, po dodaniu domieszki odpowietrzającej Sika PerFin-300, był nieznaczny.

Uzyskane w pierwszym etapie badań rezultaty, tzn. znaczny przyrost wytrzymałości betonu z ilością spoiwa w granicach 375 – 450kg/m3, w bardzo długim okresie czasu i zależność aktywności pucolanowej od globalnej ilości spoiwa, były przesłanką do tego, aby poszerzyć zakres ilości spoiwa w etapie II. Przyjęto ilości spoiwa od 350kg/m3 do 500kg/m3.

W pierwszym etapie badań założono stałą ilość wody, równą 180dm3/m3. Z przeprowadzonych prób wynikało, że ilość wody w mieszance można zredukować, bowiem przy większych ilościach spoiwa upłynnienie mieszanki było łatwiejsze. Przyjęto zatem, że w mieszance zawierającej 350kg/m3 spoiwa, ilość wody będzie wynosiła 180dm3, w mieszance zawierającej 425kg/m3 spoiwa - 175dm3 wody, a w mieszance zawierającej 500kg/m3 spoiwa - 170dm3.

W drugim etapie badań postanowiono również zróżnicować ilość powietrza w mieszance betonowej, ponieważ od niej zależą takie cechy stwardniałego betonu, jak wytrzymałość (zgodnie z wzorem Fereta) i mrozoodporność. Zazwyczaj betony zwykłe odpowiednio napowietrzone, są bardziej mrozoodporne, niż te nienapowietrzone. W przypadku cementów żużlowych, może też występować różnica w wielkości skurczu [1]. Te stwierdzenia dotyczą betonów zwykłych. Z dosyć dużym prawdopodobieństwem można było założyć, że dotyczyć to będzie również betonów o dużej zawartości piasku.

Tak jak to miało miejsce w pierwszym etapie badań, postanowiono zastosować cement CEMII. W pierwszym etapie badań, stosowano pięć rodzajów cementów. Miało to na celu wybranie tego, który będzie najlepiej współpracował z domieszkami chemicznymi, co pozwoliło na odpowiednie upłynnienie mieszanki. Jak się okazało, wszystkie cementy współpracowały bardzo dobrze. Można było bez problemu uzyskać żądaną ciekłość. Do drugiego etapu badań postanowiono zastosować CEMII B-S 32,5R.

Zastosowano dwa poziomy ilości popiołu lotnego w betonie 20 i 40%. Pierwszy jest to minimalny poziom, prawie zawsze stosowany przez producentów betonu towarowego, ze względów ekonomicznych, drugi jest poziomem przekraczającym zalecane dawkowanie.

W celu porównania betonu wysoko piaskowego z betonem zwykłym, postanowiono wykonać również dwa betony kontrolne, z klasycznym stosem okruchowym i poddać je również szczegółowym badaniom.

Badania II etapu obejmowały 12 betonów (tablica 1), w tym 2 betony zwykłe o punkcie piaskowym 42%. Krzywa stosu okruchowego była zbliżona do krzywej wzorcowej B16, według normy niemieckiej DIN 1045 [2].

Badane były cechy mieszanki betonowej i cechy fizyko-mechaniczne betonu stwardniałego - a mianowicie: konsystencja metodą stożka Abramsa po 25 minutach mieszania, zawartość powietrza metodą ciśnieniową, wytrzymałość na ściskanie na kostkach i walcach, moduł sprężystości, wytrzymałość na rozciąganie przez rozłupywanie, wytrzymałość na zginanie, nasiąkliwość, głębokość penetracji wody pod ciśnieniem, mrozoodporność, skurcz i pełzanie oraz karbonatyzacja.

Tablica 1.


78

2. Mrozoodporność.Wyniki badań mrozoodporności przedstawiono w tab. 2.W betonach o dużej zawartości piasku największy spadek wytrzymałości po 150 cyklach wynosił 11,5% dla betonów o ilości spoiwa 350kg/m3.

Ilość popiołu lotnego (20 lub 40%) nie wpłynęła na wynik ostateczny. W betonach zwykłych o ilości spoiwa 350kg/m3 spadek wytrzymałości po 150 cyklach wynosił około 45%, zaś przy ilości spoiwa 500kg/m3 wynosił około 16,3%. W obu wypadkach były to wyniki bardziej niekorzystne niż w betonach o dużej zawartości piasku. Spadek wytrzymałości po 300 cyklach zamrażania i odmrażania w betonach o dużej zawartości piasku wynosił, przy ilości spoiwa 350kg/m3 około 40%. W pozostałych wypadkach nie przekraczał 10%. Znacznie gorsze wyniki badań odnotowano dla betonów zwykłych. Przy ilości spoiwa 350kg/m3 nastąpiła pełna destrukcja betonu (spadek wytrzymałości 100%), zaś przy ilości spoiwa 500kg/m3 spadek wytrzymałości wyniósł 79%

3. Podsumowanie.3.1. Badania wykazały, że betony o dużej zawartości piasku (62%) można projektować osiągając wszystkie klasy wytrzymałościowe przypisane

betonom zwykłym, czyli od klasy C12/15, do klasy C55/67. Przy czym korzystna jest kompozycja kruszywa według krzywej nieciągłej, tzn. złożonej jedynie z frakcji piaskowych i frakcji żwirowej 8/16. Osiągnięcie tych klas jest możliwe przy zastosowaniu cementów z dodatkami, przy czym dla wyższych klas korzystne jest zastosowanie klasy wytrzymałościowej cementu 42.5. Pozwala to na osiągnięcie odpowiednich wytrzymałości, przy ilości spoiwa około 450kg/m3.

3.2. Bardzo korzystna okazała się kompozycja spoiwa cement + popiół lotny. Aktywność pucolanowa popiołu lotnego, powoduje, że w dużym przedziale czasowym wytrzymałości betonu są zbliżone do wytrzymałości betonu, wykonanego jedynie ze spoiwem cementowym.

3.3. Moduł sprężystości betonu o dużej zawartości piasku jest taki sam, jak jego odpowiednik w betonach zwykłych. Najlepszą aproksymacją wyników badań jest opisanie zależności pomiędzy Ec i fc, zgodnie ze wzorem zamieszczonym w normie amerykańskiej ACI 363R-92 [3]. Wzory normowe zamieszczone w Eurokodzie 2 i CEB-FIB Model Code 2010 zawyżają wartość modułu sprężystości, w odniesieniu do wyników badań.

3.4. Parametry nasiąkliwości i wodoprzepuszczalności w betonach o dużej zawartości piasku są podobne do ich odpowiedników w betonach zwykłych.

3.5. Zaskakujące są bardzo korzystne wyniki badań mrozoodporności betonów o dużej zawartości piasku. Beton o ilości spoiwa 350kg/m3, bez zastosowania domieszki napowietrzającej, z ilością popiołu w spoiwie 40% miał spadek wytrzymałości po 150 cyklach 11,4%, zaś jego odpowiednik – beton zwykły – 44,9%. Przy ilości spoiwa powyżej 425kg/m3, wszystkie betony o dużej zawartości piasku, bez względu na ilość powietrza, (a więc także betony nienapowietrzone), uzyskały stopień mrozoodporności F300, czego nie można powiedzieć o betonach zwykłych, w których to spadek wytrzymałości był bliski 100%.

3.6. Można stwierdzić, że właściwości reologiczne betonu, takie jak skurcz i pełzanie, są w betonach o dużej zawartości piasku podobne jak w betonach zwykłych.

3.7. Można się spodziewać, że głębokość karbonatyzacji w betonach piaskowych będzie większa, niż w betonach zwykłych, szczególnie przy małej ilości spoiwa.

Tablica 2


79

4. Wniosek generalnyBeton o dużej zawartości piasku stanowi równorzędną alternatywę dla betonu zwykłego, zatem może być zastosowany we wszystkiego rodzaju

konstrukcjach i produkowany przez producentów betonu towarowego.

Literatura[1] SIKORA H., PIASTA W.: Czy skurcz betonu napowietrzonego i nienapowietrzonego z dodatkiem żużla jest taki sam?, materiały konferencyjne

„Dni betonu” 2010, Wisła, str. 333 – 344[2] [DIN – Fachbericht 100 Beton, Zusammenstellung von DIN EN 206-1 Beton – Teil 1: Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität

und DIN 1045-2 Tragwerke aus Beton Stahlbeton und Spannbeton – Teil 2: Beton – Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität – Anwendungsregeln zu DIN EN 206-1, Ausgabe: 2001

[3] ACI 363R-92. ACI Manual of Concrete Practice 2010. Part 5. 23


80

Interwencje ratownicze zastępów Państwowej Straży Pożarnej posiłkują się technologią i procedurami ratowniczymi, których zakres zastosowania oraz efekt zależy od takich czynników, jak: rodzaj i skala zagrożenia, umiejętności ratowników, ich wyposażenie w sprzęt specjalistyczny, wielkość potencjału ratowniczego dyspozycyjnego zaangażowanego do zdarzeń w poszczególnych rzutach – głównie w pierwszym oraz czas przystąpienia do działań (od chwili powiadomienia). Czynniki te wymuszają konieczność podejmowania decyzji kierującego działaniem ratowniczym w trybie doraźnym i stanowią kompromis możliwości ratowniczych, wobec potrzeb dyktowanych zaistniałą sytuacją. Tryb ten zwany jest – taktyką działania ratowniczego i sprowadza się do ustanowienia wariantów działania, optymalizowanych uznanymi za najważniejsze takimi celami, jak: skuteczność, sprawność, dopuszczalny poziom ryzyka naruszenia bezpieczeństwa uczestników działań.

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 niepowodzenie uznać należy dopuszczenie do wydłużenia nawet o kilka minut przebywania zagrożonych osób w pomieszczeniach zadymionych. Bez wentylacji doraźnej bardziej zagrożona staje się również praca ratowników w strefie działań bezpośrednich. Istotnym dla powodzenia realizacji określonego planu działań jest ciągłe doskonalenie procedur dla pododdziałów poziomu interwencyjnego.

Przeprowadzone badania objęły: - ocenę skuteczności systemów wentylacji doraźnej, rozwiązań technicznych i organizacyjnych stosowanych przy pożarach w wybranych

obiektach; - ocenę istniejących procedur dla rot ratowniczych wykorzystujących w działaniach wentylację awaryjną, pod kątem ich przydatności dla

ewakuacji interwencyjnej i ze względu na bezpieczeństwo działań.Wynikiem badań są zoptymalizowane procedury dla ratowników, służące stosowaniu metod ratowniczych podczas pożaru, wsparte wentylacją

interwencyjną, a także zaproponowano optymalne rozwiązania taktyczne.

Normowanie procedur wentylacyjnego wsparcia działań ratowniczych dla potrzeb ewakuacji ludzi z budynku

Ireneusz NaworolSzkoła Główna Służby Poż[email protected]

Stanisław LipińskiSzkoła Główna Służby Poż[email protected]

Aleksander AdamskiSzkoła Główna Służby Poż[email protected]

Andrzej MarciniakSzkoła Główna Służby Poż[email protected]


81

Słowa kluczowe: oprogramowanie, procedury, warunki pożarowe, oddziaływania, beton

1. Cel projektuCelem Projektu jest wsparcie projektantów oraz inżynierów budownictwa poprzez dostarczenie oprogramowania komputerowego

wspomagającego projektowanie konstrukcji budowlanych z uwagi na warunki pożarowe według Eurokodów: PN-EN 1991-1-2 (oddziaływania w warunkach pożaru), PN-EN 1992-1-2 (konstrukcje z betonu), PN-EN 1995-1-2 (konstrukcje drewniane).

2. Zakres projektuZakres projektu obejmuje procedury obliczeniowe, w tym uproszczone metody obliczeniowe oraz metody danych tabelarycznych pozwalające

na ustalenie:• oddziaływań w warunkach pożarowych (tj. gęstość obciążenia ogniowego, szybkość wydzielania ciepła, równoważny czas oddziaływania

pożaru, pożar lokalny, krzywa parametryczna przebiegu pożaru, oddziaływania i kombinacje oddziaływań w wyjątkowej sytuacji obliczeniowej),

• odporności ogniowej elementów konstrukcji żelbetowych – belek, słupów, ścian i stropów,• odporności ogniowej elementów konstrukcji drewnianych – belek, słupów, elementów rozciąganych i ściskanych, a także ścian i stropów.

Na Rys. 1 poniżej przedstawiono zrzuty ekranu, z aktualnej wersji programu, przedstawiające interfejs oprogramowania.

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

EN 1992-1-2, EN 1995-1-2Grzegorz WoźniakInstytut Techniki Budowlanej Warszawa, [email protected]

Piotr TurkowskiInstytut Techniki Budowlanej Warszawa, [email protected]

3. Postęp pracProjekt realizowany jest od II kwartału 2010 r. do IV kwartału 2013 r. Ukończone zostały wszystkie moduły obliczeniowe i moduł raportowania.

Obecnie prowadzona jest weryfikacja obliczeń, w którą zaangażowane zostaną również firmy zewnętrzne.

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. Zrzuty ekranu przedstawiające interfejs oprogramowania


82

Istotnym czynnikiem wpływającym na zapewnienie wymaganego poziomu bezpieczeństwa pożarowego obiektu budowlanego, jakim jest tunel, jest skuteczne odprowadzanie dymu i ciepła gwarantujące możliwość ewakuacji osób się tam znajdujących oraz prowadzenia działań ratowniczo – gaśniczych. Uzyskuje się to poprzez zapewnienie właściwego, pod względem prędkości i kierunku, przepływu powietrza w tunelu. W przypadku krótkich tuneli stosuje się wentylację naturalną, w której przepływ wywołany jest zjawiskiem konwekcji naturalnej i warunkami atmosferycznymi. Dym i ciepło usuwane są wówczas poprzez obie głowice tunelu. W odniesieniu do pozostałych tuneli stosuje się wentylację mechaniczną, w której kierunek i prędkość przepływu wymuszone są pracą urządzeń wentylacyjnych. W zależności od przyjętego rodzaju wentylacji mechanicznej dym i ciepło usuwane są poprzez jedną z głowic bądź transportowane kanałem wentylacyjnym pod stropem tunelu i usuwane na zewnątrz.

Umożliwienie ewakuacji osób z obiektu budowlanego, w którym wystąpił pożar jest najważniejszym celem zastosowania pasywnych i aktywnych systemów zabezpieczeń przeciwpożarowych jak i działań ekip gaśniczo-ratowniczych. Niestety, tragiczne pożary takie jak pożar w tunelu pod Mount Blanc czy pożar w tunelu Tauren pokazały, iż ewakuacja nie jest priorytetem w odniesieniu do osób będących bezpośrednio zagrożonymi pożarem.

Możliwość ewakuacji ludzi może być oceniana poprzez porównanie czasów: • ASET (ang. Available Safe Egress Time, dostępny czas ewakuacji) określający przedział czasowy od powstania pożaru, do osiągnięcia

warunków krytycznych środowiska, uniemożliwiających ewakuację z budynku,• RSET (ang. Required Safe Egress Time, wymagany czas ewakuacji), przedział czasowy od powst ania pożaru do opuszczenia obiektu przez

ostatnią zagrożoną osobę. Czas ten zawiera w sobie wszystkie składowe, mające wpływ na opóźnienie początku ewakuacji, jak również czas przemieszczania się ludzi w obiekcie.

Uznaje się, że ewakuacja z obiektu budowlanego jest możliwa, jeżeli czas potrzebny na ewakuację osób z budynku wraz z niezbędnym marginesem bezpieczeństwa przekracza czas, po którym warunki środowiska wywołane oddziaływaniem pożaru przekroczą przyjęte wartości krytyczne. Warunkiem zachowania warunków ewakuacji jest spełnienie kryterium:

RSET + margines bezpieczeństwa = ASETAby określić wymaganego czasu ewakuacji istotne jest określenie poszczególnych składników tego czasu. Przebieg procesu ewakuacji wraz

z podziałem na poszczególne etapy przedstawiono schematycznie na rys. 1.

Zasady stosowania inżynierii bezpieczeństwa pożarowego do projektowania systemów wentylacji

pożarowej tuneli drogowychGrzegorz KrajewskiInstytut Techniki BudowlanejZakład Badań OgniowychWarszawa, [email protected]

Wojciech WęgrzyńskiInstytut Techniki BudowlanejZakład Badań OgniowychWarszawa, Polandw.wę[email protected]

1. Etapy procesu ewakuacji osób w osi czasu, opracowano na podstawie (4) oraz (5) Według (4) poszczególnymi elementami składowymi czasu ewakuacji są:

tdet – czas detekcji;ta – czas alarmowania;;tpre – czas opóźnienia i reakcji (ang. pre-movement time), składający się z czasu trozp - rozpoznania i treak – reakcji. ttrav – czas przemieszczania się;

margines bezpieczeństwa – jest to wymagany ze względów bezpieczeństwa margines czasu pomiędzy dostępnym a wymaganym czasem ewakuacji wyznaczany indywidualnie w odniesieniu do każdego analizowanego przypadku w zależności od charakterystyki obiektu i niepewności obliczeń poszczególnych elementów składowych czasu ewakuacji.

Rys 1. Etapy procesu ewakuacji osób w osi czasu, opracowano na podstawie (4) oraz (5)


83

RSET = tdet + ta + trozp + treak + tmov

Analizy przeprowadzone w ramach zadania

W ramach realizowanego zadania badawczego przeprowadzono obliczenia procesu ewakuacji z wykorzystaniem komputerowych modeli ewakuacji osób z tuneli komunikacyjnych.

W celu oceny wpływu różnych konfiguracji przejść i wyjść ewakuacyjnych, oraz oceny wpływu zmiany ilości osób przebywających w tuneli w czasie pożaru na całkowity czas ewakuacji osób przeprowadzono obliczenia czasu ewakuacji osób w odniesieniu do następujących reprezentatywnych scenariuszy:

1. jednonawowy tunel komunikacyjny o długości 400 m ze zmienną ilością wyjść ewakuacyjnych,2. jednonawowy tunel komunikacyjny o długości 400 m i zmiennej szerokości drogi ewakuacyjnej, 3. jednonawowy tunel komunikacyjny o długości 400 m i zmiennej ilości osób w tunelu przy stałej szerokości drogi ewakuacyjnej,4. obszar przystanku komunikacji miejskiej zlokalizowany w nawie tunelu, z różnymi ilościami oczekujących pasażerów oraz różnymi ilościami

wyjść ewakuacyjnych,5. jednonawowy tunel komunikacyjny o długości 1000 m w odniesieniu do różnego rozkładu wyjść ewakuacyjnych, różnej ilości osób w tunelu

oraz z uwzględnieniem pojazdów komunikacji publicznej.W odniesieniu do wszystkich powyższych scenariuszy procesu ewakuacji obliczenia prowadzono z wykorzystaniem komputerowego modelu

ewakuacji osób buildingExodus, przy czym w odniesieniu do scenariuszy 1 i 2 obliczenia przeprowadzono także z wykorzystaniem modelu ewakuacji osób FDS+Evac.

Wnioski z przeprowadzonych analiz procesów ewakuacji stanowią podstawę opracowywanych w ramach projektu wytycznych i procedur projektowania systemów wentylacji pożarowej oraz środków ewakuacji z tuneli drogowych. Przeprowadzone analizy pozwoliły na określenie minimalnych wymaganych odległości pomiędzy wyjściami ewakuacyjnymi oraz minimalnych szerokości dróg ewakuacji w tunelach, także w odniesieniu do scenariuszy uwzględniających obecność pojazdów komunikacji publicznej w tuneli.

Ponadto opracowano ramowe wytyczne do projektowania systemów wentylacji pożarowej tuneli drogowych, w oparciu o przeprowadzone symulacje ewakuacji jak i obliczenia numeryczne rozprzestrzeniania się dymu i ciepła. Dodatkowo w celu potwierdzenia założeń projektowych przewiduje się prowadzenie testów odbiorowych z wykorzystaniem gorącego dymu. Próby te mają jednocześnie stanowić weryfikację współdziałania wszystkich systemów związanych z bezpieczeństwem pożarowym zamontowanych na obiekcie. Obecnie prowadzone śą końcowe prace mające na celu opracowanie wytycznych odbiorowych systemów wentylacji pożarowej w tunelach.


84

Słowa kluczowe: mosty, nośność, uszkodzenia, narzędzia ekspertowe, sieci neuronowe

Proponowane narzędzie ekspertowe o nazwie MBDE-3D (Masonry Bridge Damage Evaluator – 3-Dimensional) zostało stworzone celem jego wykorzystania we wspomaganiu oceny nośności przęseł murowanych sklepionych konstrukcji mostowych [1]. Zakres funkcjonalny narzędzia obejmuje typowe murowane sklepienia o rozpiętości przęseł z zakresu 5÷15 m i stosunku strzałki do rozpiętości łuku 1/4÷1/2, o dowolnej szerokość konstrukcji i typowych pozostałych parametrach charakteryzujących geometrię i materiał konstrukcji. Zasadniczą funkcją narzędzia jest analiza wpływu uszkodzeń sklepienia murowanego na nośność całej konstrukcji.

Uwzględniane mogą być dwa rodzaje uszkodzeń – ubytki materiału i destrukcja – o dowolnej wielkości i lokalizacji na sklepieniu. Do precyzyjnego opisu uszkodzenia stosowane są łatwe w interpretacji parametry opisu uszkodzeń: lokalizacja, rozległość, intensywność oraz dodatkowo dla uszkodzenia typu destrukcja materiału poziom degradacji.

Opisywany program MBDE-3D wykorzystuje różne narzędzia numeryczne (takie jak sieci neuronowe czy komponenty funkcyjne) stosowane na poszczególnych etapach jego działania oraz bazę wiedzy stanowiącą niezależny i niezmienny element narzędzia. Globalną architekturę narzędzia MBDE-3D przedstawiono na rys. 1. Baza wiedzy stworzona jest z wykorzystaniem zaawansowanych analiz numerycznych prowadzonych na modelach pasm jednostkowej szerokości przęseł mostów bez uszkodzeń oraz z uszkodzeniami. Stanowią ją parametry definiujące poszczególne przypadki analiz wraz z ich wynikami w postaci wartości nośność konstrukcji, które łącznie wykorzystywane są jako zestawy danych do trenowania i testowania sieci neuronowych narzędzia. W ten sposób stworzone komponenty neuronowe narzędzia nie podlegają dalszym modyfikacjom w trakcie korzystania z narzędzia, lecz służą obliczaniu nośności jednostkowych pasm konstrukcji o dowolnych (określonych w granicach stosowalności narzędzia) nowych parametrach. Nośności te są pośrednimi wynikami, które w toku dalszych przeliczeń realizowanych w sposób iteracyjny przez komponenty funkcyjne narzędzia, dają wynik końcowy. Końcowym wynikiem działania narzędzia jest nośność całego przęsła rozpatrywanej konstrukcji dowolnej szerokości uwzględniająca ewentualne uszkodzenia sklepienia. Ponadto program podaje tzw. wskaźnik wpływu uszkodzenia będący autorską miarą intensywności oddziaływania uszkodzenia na konstrukcję.

Innowacyjną cechą proponowanego podejścia jest analiza rozpatrywanego zagadnienia polegająca na jego rozłożeniu na prostsze jednostkowe problemy. Dotyczy to głównie przejścia od przestrzennego zagadnienia (modelu trójwymiarowego mostu) do modelu płaskiego. Takie podejście znacznie redukuje rozmiar bazy wiedzy niezbędnej do opracowania oraz poprawnego i precyzyjnego funkcjonowania narzędzia ekspertowego oraz umożliwia ściślejszą kontrolę nad poprawnością uzyskiwanych wyników na poszczególnych etapach działania narzędzia.

Analiza płaskich modeli jest standardowym i dobrze rozpoznanym (zarówno teoretycznie jak i eksperymentalnie [2]) podejściem wykorzystywanym w różnych metodach oceny nośności mostów murowanych, takich jak MES, metoda linii ciśnień czy metoda kinematyczna [3]. Powszechnym podejście jest, zastosowana również tutaj, metoda określania nośności przęsła przy oddziaływaniu obciążenia zewnętrznego w postaci siły skupionej P. Wykorzystanie wyników analiz „płaskich” zagadnień do oceny nośności całej przestrzennej konstrukcji umożliwia model poprzecznej dystrybucji obciążenia oraz poprzecznej współpracy pasm konstrukcji w przenoszeniu tego obciążenia.

Uwzględnianie uszkodzeń w proponowanym podejściu następuje na poziomie płaskich modeli, a jej wykorzystanie w modelu przestrzennym polega na zintegrowaniu wyników nośności uszkodzonych i nieuszkodzonych pasm konstrukcji adekwatnie do rzeczywistego rozmieszczenia poszczególnych obszarów konstrukcji. Tym sposobem przy względnie małej liczbie (równej 2457) analizowanych odrębnie przypadków możliwa jest reprezentacja dowolnych konfiguracji uszkodzeń w konstrukcji. Rozpatrując pełne trójwymiarowe modele konstrukcji indywidualnie dla każdego z przypadków uwzględnianych przez narzędzie, konieczna liczba analizowanych modeli wzrosłaby do ponad 11 tysięcy. Dodatkowym utrudnieniem byłaby znacznie większą złożoność obliczeniowa modeli przestrzennych względem płaskich

Narzędzie ekspertowe w ocenie nośności murowanych konstrukcji mostowych z uszkodzeniami

Tomasz Kamiński Politechnika Wrocławska Wrocław, [email protected]

Jan BieńPolitechnika WrocławskaWrocław, [email protected]

Rys 1. Globalna architektura narzędzia ekspertowego MBDE-3D


85

Zaprezentowane narzędzie ekspertowe w postaci programu komputerowego MBDE-3D prezentuje ciekawe zastosowanie technologii inżynierii wiedzy w zagadnieniach inżynierii lądowej. Stanowi rozwiązanie interesującego problemu naukowego, a jednocześnie ma wymiar praktyczny, będąc narzędziem gotowym do zastosowania w realnych przypadkach uszkodzeń murowanych konstrukcji mostowych.

Literatura[1] KAMIŃSKI T., BIEŃ J., BIEŃ B., “An expert tool for assessment of damaged masonry arch bridges”, 7th International Conference on Arch

Bridges, 2-4 October, 2013 Trogir-Split, Croatia, pp. 691-698.[2] HOJDYS Ł, KAMIŃSKI T., KRAJEWSKI P., “Experimental and numerical simulations of collapse of masonry arches”, 7th International

Conference on Arch Bridges, 2-4 October, 2013 Trogir-Split, Croatia, pp. 715-722.[3] KAMIŃSKI T., BIEŃ J., “Application of kinematic method and FEM in analysis of ultimate load bearing capacity of damaged masonry arch

bridges”, 11th International Conference “Modern Building Materials, Structures and Techniques”, Procedia Engineering, Vol. 57, 2013, pp. 524-532.


86

Badania bieżące przewodów kanalizacyjnych prowadzone są obecnie standardowo i stanowią podstawę do planowania prac eksploatacyjnych na sieci oraz jej rehabilitacji technicznej. W badaniach bieżących wykorzystuje się powszechnie technikę wideo, która jest często uzupełniana o pomiary niwelety dna przewodu oraz pomiary zmian jego geometrii.

Dla obróbki danych pochodzących z badań bieżących - szczególnie z inspekcji video, przyjmuje się adekwatną metodykę postępowania (metodę oceny), powiązaną najczęściej z odpowiednim oprogramowaniem komputerowym. Dostępne są zarówno proste jaki i zaawansowane rozwiązania służące przede wszystkim do ustalenia listy priorytetów działań i klasyfikacji przewodów pod tym kątem. W najprostszych modelach, klasyfikacji dokonuje się poprzez przypisanie uszkodzeniom ocen punktowych lub opisowych, a proces ten następuje już na etapie notacji (kodowania) uszkodzeń. W modelach bardziej szczegółowych dąży się do uwzględnienia warunków brzegowych funkcjonowania przewodów i różnych konsekwencji wynikających z wystąpienia tzw. stanu uszkodzenia. Opracowane rozwiązania różnią się niekiedy istotnie od siebie, chociaż w większości stanowią warianty punktowych lub punktowo-opisowych metod oceny.

Klasyfikacja tych przewodów, w których występują liczne i różniące się zmiany (uszkodzenia) jak i ich wzajemne porównanie jest problematyczne. Wątpliwości budzą również sytuacje w których porównuje się przewody o licznych „drobnych” uszkodzeniach z przewodami o mniejszej liczbie uszkodzeń, istotnych jednak ze względu na określone kryterium oceny. Trudności w rozwiązywaniu zagadnień tego typu są charakterystyczne również dla uznanych i stosowanych w praktyce metod oceny stanu przewodów.

Opracowana w ramach tematu badawczego TB 6.1. autorska metoda oceny ma z założenia wspierać podejmowanie decyzji dla tych problematycznych, wymienionych wyżej zagadnień.

W metodzie tej bazuje się na wiedzy i doświadczeniu eksperta prowadzącego klasyfikację przewodów, pozwalających mu na skuteczne porównanie zaobserwowanych w trakcie inspekcji uszkodzeń, przy uwzględnieniu dowolnie wybranego kryterium oceny. Porównywanie uszkodzeń odbywa się przy wykorzystaniu tzw. metody porównywania parami – tj. przy każdorazowych wzajemnym porównaniu tylko dwóch uszkodzeń ze zbioru wszystkich zarejestrowanych w trakcie badań przewodu (analizuje się wszystkie utworzone pary). W wyniku takiego porównywania otrzymuje się uporządkowaną sekwencję od uszkodzenia najbardziej do najmniej niebezpiecznego, wraz z przyporządkowanymi wagami określającymi zależności (stopnie) wzajemnych powiązań między nimi. Sekwencje uzyskane dla określonego przez eksperta kryterium porównania pozwalają w następnym etapie analizy na otrzymanie globalnej oceny stanu przewodu oraz porównanie przewodów ze sobą. Ustalane też mogą być zalecenia dla dalszego planowania zadań eksploatacyjnych oraz dla planowania rehabilitacji skrajnych przypadków. Dla ułatwienia pracy eksperta oraz w celu porządkowania większych zbiorów danych opracowano oprogramowanie pod roboczym tytułem OSP1, które można zaklasyfikować jako system wspomagania decyzji.

W ramach prezentacji przypomniane zostaną założenia oraz cechy opracowanej metody oceny wraz z prezentacją możliwości i schemat pracy z systemem OSP1. Skuteczność rozwiązania zostanie odniesiona do przykładów bazujących na rzeczywistych uszkodzenia rejestrowanych w trakcie badań przewodów kanalizacyjnych.

Analiza i ocena stanu przewodów kanalizacyjnych z użyciem systemu wspomagania decyzji OSP1

Bogdan PrzybyłaPolitechnika WrocławskaWydział Budownictwa Lądowego i Wodnego


87

Badania transportowej infrastruktury podziemnejz wykorzystaniem technik 3D

Tomasz AbelPolitechnika WrocławskaWrocław, [email protected]

Beata NienartowiczPolitechnika WrocławskaWrocław, [email protected]

Cezary MadryasPolitechnika WrocławskaWrocław, [email protected]

Słowa kluczowe: techniki wizyjne, badania, systemy skanujące

1. Wytyczne prowadzenia badań z zastosowaniem technik 3D.Podstawowym celem prac przeprowadzonych w ramach realizacji zadania badawczego było określenie procedur postępowania

oraz stworzenie ujednoliconego algorytmu wykonywania badań w obiektach należących do infrastruktury podziemnej terenów zurbanizowanych. Badania prowadzone z wykorzystaniem wysoko zaawansowanych technik wizyjnych wymagają ścisłego przestrzegania procedur badawczych oraz zachowania określonego reżimu podczas wykonywania poszczególnych czynności. Szczególnie istotne, przed przystąpieniem do realizacji danego zadania, jest odpowiednie przeprowadzenie czynności wstępnych, umożliwiających identyfikację obiektu z uwagi na jego funkcję, charakter pracy oraz konstrukcję. Badania ośrodka gruntowego otaczającego obiekt umożliwiają pozyskanie wiedzy na temat możliwych obciążeń zewnętrznych, pochodzących od gruntu, w tym parcia hydrostatycznego wody gruntowej, a także agresywności chemicznej, szczególnie istotnej w przypadku konstrukcji podziemnych. Prowadzenie badań obiektów podziemnych z zastosowaniem technik wizyjnych typu 3D umożliwia dokonanie pełnej i wiarygodnej oceny zaistniałychwewnątrz obiektu zmian, przede wszystkim nieprawidłowości konstrukcyjnych. W przypadku obiektów przełazowych istnieje możliwość weryfikacji ilościowej i jakościowej zaobserwowanych uszkodzeń oraz oceny ich prawidłowej klasyfikacji bezpośrednio przez inspektora. Obiekty nieprzełazowe mogą być poddawane jedynie inspekcji pośredniej, z wykorzystaniem zestawów inspekcyjnych a ocena stanu technicznego przedmiotowych obiektów wykonywana jest wyłącznie na podstawie zapisu video. Określenie procedur dotyczących kolejnych etapów prowadzenia badań w obiektach należących do infrastruktury podziemnej terenów zurbanizowanych umożliwi ujednolicenie oraz podniesienie jakości inspekcji prowadzonych przez różne podmioty, celem oceny stanu technicznego tego typu obiektów. Dzięki procedurom opisanym w efekcie przeprowadzenia badań testowych, możliwe stało się stworzenie algorytmu przeprowadzania inspekcji tv w liniowych obiektach podziemnych. Wykonanie w niezbędnym zakresie powyższych czynności opisanych w „Wytycznych prowadzenia badań z zastosowaniem technik 3D” zapewni zarówno właściwą oraz rzetelną ocenę stanu technicznego obiektu podziemnego, jak i bezpieczeństwo osób zaangażowanych w wykonanie poszczególnych prac inwentaryzacyjnych.

Literatura[1] MADRYAS C., PRZYBYŁA B., WYSOCKI L., Badania i ocena stanu technicznego przewodów kanalizacyjnych, Dolnośląskie Wydawnictwo

Edukacyjne, Wrocław 2010.[2] Rozporządzenie MGPiB z dnia 01.10.1993 r. w sprawie bhp przy eksploatacji, remontach i konserwacji sieci kanalizacyjnych.


88

Diagnostyka nawierzchni drogowych i lotniskowych z wykorzystaniem zaawansowanych badań

dynamicznychAntoni SzydłoPolitechnika WrocławskaWrocław, [email protected]

Bartłomiej KrawczykPolitechnika WrocławskaWrocław, [email protected]

Piotr MackiewiczPolitechnika WrocławskaWrocław, [email protected]

Słowa kluczowe: FWD, ugięciomierz dynamiczny, czasza ugięć, badania nawierzchni, nawierzchnia drogowa

1. Wytyczne prowadzenia badań z zastosowaniem technik 3D.W ramach tematu badawczego TB 6.2 – Innowacyjne metody badań jako źródło wiedzy o infrastrukturze transportowej realizowane jest zadanie

badawcze ZB. 6.2.4 – Diagnostyka nawierzchni drogowych i lotniskowych z wykorzystaniem zaawansowanych badań dynamicznych. Jednym z istotnych elementów eksploatacyjnych nawierzchni drogowej jest jej zdolność do przenoszenia obciążeń od ruchu drogowego.

Aktualnie wyznaczana jest ona na podstawie pomierzonych, metodami statycznymi lub dynamicznymi, przemieszczeń pionowych (ugięć) konstrukcji nawierzchni pod znanym obciążeniem.

Głównym celem zadania badawczego było opracowanie metody identyfikacji parametrów modeli nawierzchni drogowych i lotniskowych z wykorzystaniem ugięciomierza dynamicznego FWD. Urządzenie to realizuje obciążenie nawierzchni za pomocą masy spadającej swobodnie na płytę naciskową, symulując w ten sposób odpowiednią długość i wartość obciążenia dynamicznego wywieranego na nawierzchnię przez koło jadącego pojazdu. Pomiar przemieszczeń pionowych konstrukcji nawierzchni za pomocą ugięciomierza FWD jest bez wątpienia najefektywniejszym badaniem z grupy badań nieniszczących. We współczesnej praktyce nie jest jednak zwykle uwzględniany przy projektowaniu konstrukcji nawierzchni dynamiczny charakter obciążenia w badaniu FWD i jego wpływ na identyfikowane parametry modelu nawierzchni.

Dotychczasowa praktyka badań nawierzchni drogowych i lotniskowych z wykorzystaniem ugięciomierza dynamicznego FWD polega na rejestrowaniu wyników pomiarów ugięć w postaci czasz przemieszczeń, które w dalszej kolejności wykorzystywane są w modelach nawierzchni do identyfikacji parametrów tych modeli na bazie obliczeń odwrotnych. Obciążenia wywierane przez ugięciomierz FWD mają krótkotrwały charakter dynamiczny (udarowy) a rejestrowane przemieszczenia nawierzchni są wynikiem działań tych obciążeń. Stosowanymi modelami nawierzchni są natomiast modele statyczne w postaci warstwowych półprzestrzeni sprężystych. Identyfikacji podlegają więc parametry modelu statycznego (moduły) na podstawie przemieszczeń uzyskanych pod obciążeniem dynamicznym (w postaci impulsu siłowego), co powoduje niewątpliwy konflikt metodologiczny.

W ramach tematu badawczego opracowano algorytm przejścia (transformacji) z testu dynamicznego na test statyczny w taki sposób aby możliwe było zastosowanie przemieszczeń rejestrowanych w teście dynamicznym do identyfikacji parametrów w modelach statycznych, jakimi są stosowane obecnie wielowarstwowe półprzestrzenie sprężyste.

Przeprowadzono serię badań FWD na istniejących nawierzchniach drogowych (zarówno podatnych, jak i sztywnych) o zróżnicowanych konstrukcjach. Wykorzystując metodę transformacji przemieszczeń i obciążeń dynamicznych na ich statyczny odpowiednik, wyznaczono współczynniki korekcyjne czaszy przemieszczeń, na podstawie których możliwe jest określenie hipotetycznych przemieszczeń w teście statycznym, pod obciążeniem równym co do wartości maksymalnemu obciążeniu dynamicznemu.

Wykazano znaczną zmienność wartości współczynników korekcyjnych w zależności od typu i grubości konstrukcji, temperatury badania, wartości impulsu obciążającego występującego w badaniu FWD oraz odległości od osi obciążenia punktu (odległości geofonu od płyty naciskowej), w którym współczynnik jest wyznaczany.

Wyznaczone współczynniki pozwalają przeliczać ugięcia dynamiczne na statyczne i w konsekwencji umożliwiają transformację dynamicznej czaszy przemieszczeń na jej quasi-statyczny odpowiednik. Są one następnie wykorzystywane przy identyfikacji modułów warstw w obliczeniach odwrotnych. Na nawierzchniach podatnych i sztywno-podatnych zaleca się stosowanie współczynników zamieszczonych w tab. 1, w zależności od grubości warstw asfaltowych (h). Do pomiarów czaszy przemieszczeń wprowadza się również zależność między wartością współczynników przeliczeniowych, a odległością punktu pomiarowego od osi obciążenia r (odległością geofonu od płyty naciskowej). Współczynniki przeliczeniowe f(r,h) przy obciążeniu 57 kN (odpowiadającemu osi obliczeniowej) dla nawierzchni podatnych i sztywno-podatnych przedstawiono na rys. 1 oraz w tab.1.

Tab 1. Współczynniki przeliczeniowe f(r) przy obciążeniu 57 kN.


89

Opracowaną metodę transformacji czaszy przemieszczeń zweryfikowano w pomiarach porównawczych na nowowybudowanym, jednorodnym odcinku drogi. Porównano, uzyskaną z wykorzystaniem opracowanej przez autorów metody, czaszę quasi-statyczną (transformowaną z dynamicznej) z czaszą statyczną – bezpośrednio pomierzoną, uzyskując bardzo dobrą zgodność wyników. Na podstawie pomierzonych statycznych (BB) i dynamicznych (FWD) czasz przemieszczeń oraz teoretycznych czasz quasi-statycznych, wyznaczonych z uwzględnieniem współczynników korekcyjnych f(r) dokonano identyfikacji parametrów modelu badanej nawierzchni.

W ramach programu badawczego przeprowadzono ponadto badania wpływu wartości obciążenia na rejestrowane przemieszczenia pionowe dla pięciu różnych poziomów obciążenia na zróżnicowanych konstrukcjach. Wykonano również badania wpływu powtarzalności obciążeń na typowej konstrukcji podatnej, poddanej wielokrotnemu impulsowi obciążającemu o wartości 57,5 kN. Opracowano także algorytm podziału badanego odcinka nawierzchni na tzw. odcinki jednorodne o zbliżonym stanie technicznym.

Rys 1. Współczynniki przeliczeniowe f(r,h) przy obciążeniu 57 kN dla nawierzchni podatnych


90

Słowa kluczowe: diagnostyka, żelbet, emisja akustyczna

1. Cel pracyCelem tematu badawczego jest opracowanie i weryfikacja metody emisji akustycznej diagnozowania konstrukcji żelbetowych, ze szczególnym

uwzględnieniem inżynierskich obiektów drogowych. W związku z zaawansowanym wiekiem infrastruktury mostowej [1] rozwiązywanie problemów związanych z oceną ich trwałości jest coraz bardziej potrzebne, stąd ważne stało się także poszukiwanie skutecznych metod diagnostycznych, umożliwiających niezawodną identyfikację i lokalizację procesów destrukcyjnych mających wpływ na stan techniczny obiektu. Metoda Emisji Akustycznej [2], która została opracowana dla konstrukcji sprężonych i zweryfikowana na blisko 80 obiektach mostowych, jako jedyna, pozwala na globalne śledzenie procesów destrukcyjnych zachodzących w użytkowanej konstrukcji pod wpływem obciążeń eksploatacyjnych i oddziaływań środowiskowych. Ponieważ, podczas badania, rejestrowane są tylko aktywne procesy destrukcyjne metodę nazwano IADP - Identyfikacji Aktywnych Procesów Destrukcyjnych. Koncepcja metody IADP oparta jest na rejestrowaniu i analizie porównawczej sygnałów emisji akustycznej generowanych przez czynne procesy destrukcyjne powstające w wyniku działania obciążenia z bazą sygnałów wzorcowych utworzoną w warunkach laboratoryjnych. Baza wzorcowych sygnałów emisji akustycznej, umożliwiających rozpoznawanie i lokalizację procesów destrukcyjnych została utworzona na bazie wyników uzyskanych z realizacji programu badawczego obejmującego 26 belek statycznie wyznaczalnych oraz rozszerzona i zweryfikowana na wynikach badań belek statycznie niewyznaczalnych uzyskanych podczas realizacji tematu badawczego T.6.3 [3]. Zastosowanie metody IADP do utworzenia systemu wspomagającego zarządzanie infrastrukturą mostową wymaga jednak weryfikacji, utworzonej i rozszerzonej bazy sygnałów wzorcowych, na obiektach rzeczywistych.

2. Przeprowadzone badania i wstępna analiza wynikówW celu przeprowadzenia weryfikacji utworzonej bazy sygnałów wzorcowych na obiektach rzeczywistych wykonano przegląd obiektów

zlokalizowanych na sieciach dróg wojewódzkich i krajowych województwa świętokrzyskiego. Przegląd miał na celu wytypowanie obiektów, których parametry pozwoliły by na zarejestrowanie możliwie wielu sygnałów charakteryzujących pracę konstrukcji pod działaniem obciążenia eksploatacyjnego, stąd ze względu na niewielkie obciążenia ruchem, nie brano pod uwagę obiektów zlokalizowanych na innych drogach.

Biorąc pod uwagę: rodzaj konstrukcji, lokalizację, dostęp do elementów konstrukcyjnych, dostępność dokumentacji, stan techniczny obiektu oraz obciążenie ruchem pojazdów ciężkich, do przeprowadzenia badań metodą emisji akustycznej wytypowano:

1 .Most płytowy trójprzęsłowy przez rzekę Bobrzę w ciągu drogi wojewódzkiej nr 763 w km. 3+4322. Most dwuprzęsłowy płytowo-belkowy przez rzekę Bobrzę w ciągu drogi technologicznej (kopalnia kamienia Kowala – cementownia

Nowiny) w m. Wola Murowana (na terenie Dyckerhoff)Przeprowadzono szczegółowe przeglądy wybranych mostów i sporządzono raporty zawierające opis i dokumentację uszkodzeń oraz

przeprowadzone nieniszczące badania elementów konstrukcji (sklerometr, georadar). W celu uzyskania weryfikacji bazy sygnałów wzorcowych również pod względem oddziaływań atmosferycznych, badania metodą emisji akustycznej przeprowadzono dwukrotnie na wybranych obiektach tzn. w marcu przy temperaturze otoczenia 3oC oraz w lipcu przy temperaturze 32oC. Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono schematy konstrukcyjne wybranych do badania mostów wraz z rozmieszczeniem czujników emisji akustycznej na widoku bocznym oraz od spodu obiektu.

Weryfikacja metody IADP na żelbetowych wieloprzęsłowych obiektach mostowych

Wiesław Trąmpczyński Politechnika Świętokrzyska Kielce, [email protected]

Barbara GoszczyńskaPolitechnika Świętokrzyska Kielce, [email protected]

Grzegorz ŚwitPolitechnika Świętokrzyska Kielce, [email protected]

Rys 1. Most przez rzekę Bobrzę w miejscowości Radkowice


91

Wstępna analiza uzyskanych wyników przeprowadzonych badań metodą emisji akustycznej w porównaniu z badaniami uzyskanymi z innych metod wskazuje na dobrą zgodność wyników i możliwość stosowania metody IADP do analizy stanu technicznego wieloprzęsłowych mostów żelbetowych.Literatura[1] BIEŃ J., “Zagadnienie trwałości obiektów mostowych w europejskich projektach badawczych”, Materiały Konf. Nauk. KILiW PAN i KN PZITB

Krynica 2010, t. Diagnostyka, monitoring i modernizacja eksploatowanych obiektów, s. 41-55.[2] GOŁASKI L., GOSZCZYŃSKA B., ŚWIT G., TRĄMPCZYŃSKI W., “System for the global monitoring and evaluation of damage processes

developing within concrete structures under service load”, The Baltic Journal of Road and Bridge Engineering, vol.7, No 4, December 2012, pp. 237-245.

[3] TRĄMPCZYŃSKI W., GOSZCZYŃSKA B., ŚWIT G., “Zastosowanie metody emisji akustycznej IADP – identyfikacja uszkodzeń w elementach żelbetowych”, Mat. Konf. Nauk., Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej w strategii zrównoważonego rozwoju, Łódź 2012, s. 101-102.

Rys 2. Most w ciągu drogi technologicznej Dyckerhoff


92

Słowa kluczowe: Baza wiedzy, monitoring, system wspomagania decyzji, zanieczyszczenia gruntu, zanieczyszczenia wód gruntowych, utrzymanie składowisk odpadów, programy eksperckie

1. Sformułowanie problemuSkładowiska odpadów były przedmiotem analizy w dwóch podstawowych aspektach: • jako instalacje i jednocześnie obiekty budowlane, które muszą spełniać określone prawem wymagania dotyczące budowy, funkcjonowania,

zamykania oraz eksploatacyjnego i poeksploatacyjnego monitoringu.• jako zbiór substancji niebezpiecznych, które mogą stać się zagrożeniem dla środowiska w sytuacjach awaryjnych, takich jak na przykład

uszkodzenie warstwy izolacyjnej. Ocena stanu technicznego składowiska odpadów wiąże się z prognozą skuteczności funkcji ochronnej tej instalacji w stosunku

do poszczególnych elementów środowiska naturalnego, w kontekście sytuacji szczegółowej, scharakteryzowanej wieloma parametrami opisującymi stan techniczny i zawartość składowiska IPPC (Integrated Pollution Prevention and Control). Ważnym elementem oceny bezpieczeństwa środowiska naturalnego są wnioski lub z prowadzonego monitoringu. Analiza rozwiązań technologicznych, w tym ocenę spełnienia wymagań stawianych lokalizacji składowisk jest problemem rozwiązywanym przez eksperta na podstawie istniejących przepisów szczegółowych i w kontekście postulatywnego opisu najlepszych dostępnych technik składowania (Best Available Techniques - BAT). Wobec dużej ilości parametrów opisujących zagadnienie, automatyczna i syntetyczna analiza tych danych jest bardzo trudna. Przedmiotem projektu jest skonstruowanie obiektywnego narzędzia wspomagającego taką analizę w obu wymienionych powyżej aspektach. Istotnym celem tej pracy jest zastąpienie metod dyskursywnych i zależnych od subiektywnego opisu stanu wiedzy i umiejętności analitycznych eksperta – numerycznymi metodami obiektywnymi, opartymi na możliwie pełnej bazie wiedzy stanowiącej „fotografie faktograficzną” zagadnienia. W zarządzaniu elementami infrastruktury wchodzącymi w zakres geotechniki środowiska używa się, jak dotąd, w niewielkim stopniu “miękkich” narzędzi analizy numerycznej, takich jak sieci neuronowe [1]. W tym projekcie przeanalizowano możliwości użycia sztucznych sieci neuronowych (SSN) w powyższych zagadnieniach. Do zagadnienia oceny składowisk i bieżącego stanu środowiska naturalnego w sąsiedztwie składowiska zaproponowano użycie sztucznych sieci neuronowych typu IAC (Interactive Activation and Competition)

2. IAC – ocena składowiskObiektywne narzędzie wspomagające decyzję to takie, że decyzja podejmowana jest w dużej mierze niezależnie od kompetencji eksperta

i różnorodnych subiektywnych uwarunkowań jakim on podlega. Aby takie narzędzie skonstruować potrzebna jest bogata baza wiedzy. W pracy [2] baza wiedzy składała się z zapisów sprawozdań z badań monitoringu środowiska wokół eksploatowanych i nieeksploatowanych 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 prowadzenia działalności, oraz zapewnić standardy emisyjne, które nie mogą być przekraczane przez instalacje tego typu. Zapis danych w formie sieci IAC pozwala na obiektywną ocenę wyników monitoringu (niezależnego od kompetencji eksperta i jego subiektywnych uwarunkowań). Narzędzie to pozwoli również na klasyfikację wysypiska w kontekście BAT. Podstawowym 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 sytuacje awaryjne jak i sytuacje będące modelem wirtualnym. Te ostatnie stworzono w celu wykonania eksperymentów myślowych sprawdzających użyteczność proponowanego programu eksperckiego. W przykładowej bazie danych wykorzystano wyniki pomiarów obejmujące badania wód powierzchniowych, podziemnych i odciekowych dla 13 składowisk. Wyróżniono następujące kategorie: dane charakteryzujące składowisko (typ składowiska, wiek, aktywność, 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 monitoringowych odpowiednio na dopływie i odpływie (pięć klas jakości X piezometr); Monitoring odcieków; Monitoring wód powierzchniowych (pięć klas jakości). Rezultatem pracy jest baza danych o sprecyzowanej ściśle architekturze oraz sieć neuronowa typu IAC stowarzyszona z tą bazą danych, dzięki której, w praktyce kontrolera można będzie użyć ocen uogólnionych. W pracy analizuje się możliwość:

- wykrycia takich danych pomiarowych, które mają decydujący wpływ na ocenę,- wykrycia ewentualnych ukrytych zależności pomiędzy mierzonymi parametrami wód,- a co za tym idzie, oceny możliwości dokonania prawidłowej oceny jakości wód na podstawie pomiarów tylko niektórych parametrów.

Zastosowanie programu eksperckiego związanego z bazą danych, umożliwiło uzyskanie automatycznej oceny obiektu wraz z określeniem zaleceń końcowych mających na celu wyeliminowanie negatywnego oddziaływania składowiska na środowisko.

3. BP – narzędzie identyfikacji elementów zagrożeń Opis sytuacji awaryjnych ujęto w rozbiciu na dwa podstawowe typy monitoringu: oparty o sieć piezometrów oraz monitoring rozproszony,

instalowany w warstwach konstrukcyjnych składowiska. Wykorzystano narzędzia analizy danych opisane w pracach [3, 4]. Oczywiście, metoda

Sieci neuronowe typu IAC i BP jako narzędzia oceny składowisk i analizy ich wpływu na środowisko

Paulina RudnickaPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Marcin KrasińskiPolitechnika Łódzka Łódź, Polandmarcin.krasiń[email protected]

Marek LefikPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]


93

monitoringu oparta na czujnikach odcieku nie wymaga zastosowania procedury identyfikacji źródła ani jego intensywności. Jednak jest ona, w swojej podstawowej formie, uboższa informacyjnie (brak informacji o naturze wycieku) oraz droższa. Do oceny intensywności źródła wycieku oraz jego położenia użyto odpowiednio wytrenowanej sieci warstwowej uczonej metodą wstecznej propagacji błędu (Back Propagation - BP)

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, wykrycia ewentualnych ukrytych zależności pomiędzy mierzonymi parametrami wód, a co za tym idzie, oceny możliwości dokonania prawidłowej oceny jakości wód na podstawie pomiarów tylko niektórych parametrów.

Wykazano teoretycznie i przedstawiono przykłady użycia sieci BP do oceny właściwości gruntu w sąsiedztwie składowiska (właściwości filtracyjne, dyspersyjne oraz charakterystyka adsorpcji zanieczyszczeń).

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


94

Słowa kluczowe: wzmacniacze podłoża, systemy eksperckie, IAC

1. Opis systemu informatycznegoSieci neuronowe są szeroko stosowanym narzędziem pozwalającym na wielokryterialną optymalizację rozwiązywanego zagadnienia. Istnieje

wiele modeli topografii sieci oraz sposobów transmisji sygnału w niej. Przedstawiana implementacja jest siecią neuronową typu wzajemna interakcja i konkurencja (Interactive Activation and Competition). Wiodącym zastosowaniem sieci IAC wydają się być systemy eksperckie, gdzie wiedza wcześniej zgromadzona zostaje przetwarzana i wykorzystywana przy ocenie kolejnych, nowych zagadnień, często pozwalając na optymalne podjęcie decyzji. Baza zawiera najczęściej sparametryzowany zbiór informacji o danym zagadnieniu oraz ekspertyzę – określone postępowanie przy danej kombinacji parametrów opisujących rozpatrywaną sytuację. Ta wiedza pochodzi najczęściej od „eksperta” w danej dziedzinie i może obejmować tylko niewielką część możliwych sytuacji. Siłą sieci jest możliwość uogólniania posiadanych informacji na przypadki gdzie „ekspert” nie podał żadnych informacji o prawidłowym, stosowanym rozwiązaniu.

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 o wagach z zakresu <-1.0;1.0>. Szkic przykładowej architektury sieci przedstawiono na Rysunku 1.

Wspomaganie wyboru optymalnej metody modyfikacji parametrów podłoża gruntownego za

pomocą sieci IAC

Marcin KrasińskiPolitechnika ŁódzkaŁódź, [email protected]

Patrycja BaryłaPolitechnika ŁódzkaŁódź, [email protected]

Marek LefikPolitechnika ŁódzkaŁódź, [email protected]

2. Zastosowanie2.1. Opis problemu inżynierskiego

Przykłady służące do zbudowania bazy danych pochodziły z opracowania zbiorczego dotyczącego metod wzmacniania podłoża wydanego po seminarium geotechnicznym „X Seminarium WZMACNIANIE PODŁOŻA I FUNDAMENTÓW” w Warszawie zorganizowanym przez Instytut Badania Dróg i Mostów (IBDIM) oraz Polskie Zrzeszenie Wykonawców Fundamentów Specjalnych (PZWFS) w 2011 roku.

W dobie coraz większego rozrostu miast oraz rozbudowy sieci dróg coraz częściej pojawia się sytuacja gdzie inwestycja przechodzi przez, bądź jest bezpośrednio zlokalizowana na obszarach gruntu o słabych właściwościach geotechnicznych. Przykładem tego mogą być różnego typu bagna, torfowiska, słabe grunty spoiste/sypkie, grunty pęczniejące oraz cały szereg gruntów pochodzenia przemysłowego.

Wybór metody wzmacniania podłoża zależy od wielu czynników natury ekonomiczno-technologicznych i jest w wielu przypadkach trudną decyzją pociągającą za sobą konkretne konsekwencje finansowe.

Podstawowe parametry wpływające na wybór zastosowanego rozwiązania to: • Miąższość • Typ gruntu/podłoża • Warunki gruntowea najistotniejsze metody modyfikacji to: • Konsolidacja statyczna/dynamiczna • Kolumny żwirowe/kamienne • Wibrowymiana • Wibroflotacja Różnego typu iniekcje w tym strumieniowa • oraz wymiana częściowa bądź całkowita słabego podłoża.

Rys 1. Przykładowa architektura sieci IAC


95

2.2. Zastosowanie systemuStudium literatury pozwoliło wyodrębnić istotne kategorie parametrów oraz ich zmienność. Dane te zostały odpowiednio skwantyfikowane

i przedstawione w formie bazy danych w pliku .cvs. Baza ta została wczytana do programu i funkcjonuje jako narzędzie wspomagające podejmowanie decyzji związanych z wyborem właściwej metody modyfikacji słabego podłoża. Przykładowe zastosowanie programu zostało przedstawione na Rysunku 2.

Literatura[1] [1] Materiały z X Seminarium IBDiM i PZWFS - Warszawa, 31 marca 2011 – WZMACNIANIE PODŁOŻA I FUNDAMENTÓW[2] [2] McClelland, J.L. (1981). Retrieving general and specific information from stored knowledge of specifics. Proceedings of the Third Annual

Meeting of the Cognitive Science Society, 170-172.[3] [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.

Rys 2. Przykład zastosowania programu


96

Słowa kluczowe: budownictwo energooszczędne, metody polioptymalizacyjne, LCA.

1. WstępCelem naukowym tematu badawczego PT7.1 Metody komputerowej optymalizacji projektowania budynków przyjaznych dla środowiska

z wykorzystaniem oceny LCA było opracowanie metod komputerowej optymalizacji projektów budynków 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, ekonomicznych i ekologicznych co prowadzi do optymalizacji wielokryterialnej wymagającej użycia zaawansowanych metod komputerowych. Celem społeczno-ekonomicznym tematu badawczego było umożliwienie projektowania budynków optymalizującego ich negatywny wpływ na środowisko w całym cyklu życia (LCA), [1]. Poniżej przedstawiono wyniki, realizacji zadania badawczego, będące końcowym rezultatem pracy w ramach tematu PT7.1.

2. Rezultaty projektu2.1. Bazy danych

Jednym z cząstkowych celów tematu badawczego PT 7.1 była modyfikacja i uzupełnienie istniejących baz danych dotyczących energochłonności i emisji CO2 z procesu produkcji podstawowych materiałów budowlanych. Zebrano niezbędne dane oraz opracowano metodykę oceny energochłonności i wielkości emisji CO2 dla głównych technologii i materiałów budowlanych oraz procesu budowlanego.

2.2. Zadania optymalizacyjneSformułowano kilka zadań optymalizacyjnych, dla których następnie przeanalizowano możliwość zastosowania następujących metod

optymalizacji wielokryterialnej: sumy ważonej, ELECTRE, AHP, entropii, punktu idealnego oraz autorskiej metody optymalizacji wielokryterialnej opartej na elementach logiki rozmytej. Stwierdzono, że wszystkie analizowane metody oceny wielokryterialnej można zastosować do rozwiązywania zadań optymalizacyjnych dotyczących wyboru rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych w procesie projektowania budynków energooszczędnych.

2.3. Program komputerowyW ramach prowadzonych badań przeanalizowano możliwość współpracy oprogramowania typu BIM z oprogramowaniem tworzonym

w ramach opisywanego tematu badawczego ( bazy danych i procedury optymalizacyjne) i wysnuto wniosek, że zastosowanie systemów BIM wydają się być właściwe do współpracy z procedurami optymalizacyjnymi, wdrożenie ich jednak wymaga dużego wysiłku intelektualnego i finansowego. W efekcie końcowym postanowiono rozwiać własne oprogramowanie w oparciu o arkusz kalkulacyjny Excel i komunikować się przez eksport i import zestawień danych z oprogramowaniem typu BIM.

3. PodsumowaniePodsumowując należy stwierdzić, że w ramach tematu PT 7.1 zrealizowano planowane zadania badawcze, osiągnięto cel naukowy

oraz opracowano narzędzia informatyczne do wykorzystania przez projektantów budynków spełniających kryteria zrównoważonego rozwoju.

Literatura[1] Piotr Król, Szymon Firląg, Arkadiusz Węglarz, „Zintegrowana ocena wpływu budynku jednorodzinnego na środowisko”, Przegląd Instalacyjny,

2013,09.

Metody komputerowej optymalizacji projektowania budynków przyjaznych dla środowiska

z wykorzystaniem oceny LCA

Arkadiusz WęglarzPolitechnika Warszawska Warszawa, [email protected]


97

Słowa kluczowe: oszczędność energii, dynamika cieplna przegród budowlanych, światło dzienne w budynkach, komfort wizualny

1. Cel projektuGłównym celem badawczym tematu badawczego jest określenie ilościowego wpływu pasywnych rozwiązań fasad budynków użyteczności

publicznej, w tym systemów zacieniających oraz wpływu rośnie skonfigurowanych właściwości spektralnie 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. Metoda ta będzie mogła być wykorzystania jako narzędzie wspomagające projektowanie nowych oraz ocenę istniejących budynków użyteczności publicznej.

2. Prowadzone badania (Etap 3)2.1. Dynamiczne cieplne właściwości przegród budowlanych

Akumulacyjność cieplna ścian odgrywa zauważalną rolę w bilansie cieplnym budynku, umożliwia skuteczniejsze zarządzanie dostępnymi zyskami słonecznymi, zmniejsza ryzyko przegrzewania się pomieszczeń czy też zmniejsza różnice temperatur powietrza w budynku wskutek okresowego działania systemu grzewczego. Ważnym jednak jest, aby warstwy akumulacyjne nie były zasłonięte materiałami o dobrej izolacyjności cieplnej tj. tynki gipsowe, dywany, wykładziny czy panele podłogowe, gdyż skuteczność wykorzystania takiej masy termicznej jest zdecydowanie niższa. Masa termiczna budynku ma istotny wpływ na stabilność termiczną budynku oraz parametry mikroklimatu jego wnętrza, gdyż odpowiednio dobrana akumulacyjność cieplna przegród budynku, współpracuje z systemem grzewczym i klimatyzacyjnym budynku, co bezpośrednio przekłada się na komfort cieplny użytkowników pomieszczeń oraz koszty eksploatacji.

Analizę obliczeniową wpływu cieplnych dynamicznych właściwości przegród budowlanych na bilans cieplny wykonano dla dużych budynków biurowych o dwóch różnych kształtach. Symulacje przeprowadzono z użyciem lokalnych danych klimatycznych w środowisku Designbuilder. Przedstawiono analizę wpływu masy termicznej wybranych elementów konstrukcji budynku - ścian zewnętrznych, ścian wewnętrznych nośnych i działowych oraz stropów międzykondygnacyjnych na bilans cieplny budynku oraz mikroklimat pomieszczeń.

2.2. Badania symulacyjne pod kątem dostępności światła dziennego w budynkach zacienionych nadwieszeniami horyzontalnymi.Zewnętrzne konstrukcje zacieniające, oprócz oczywistego wpływu na bilans zysków słonecznych budynku, biorą także udział w kształtowaniu

natężenia oświetlenia światłem dziennym we wnętrzach budynku. Przeprowadzono badania symulacyjne pomieszczeń biurowych w środowisku symulacyjnym RADIANCE. Jest to nowoczesne środowisko do symulacji i wizualizacji oświetlenia światłem dziennym i sztucznym zarówno w budynkach jak i na zewnątrz. Program ten, wykorzystujący bardzo wydajny algorytm śledzenia promienia wstecznego (ang. backward ray tracing) służy do rozwiązywania zadań rozkładu natężenia w budynkach jak i do weryfikacji prostych modeli natężenia światła dziennego dla prostych układów pomieszczeń. O popularności i klasie tego oprogramowania świadczy duża liczba wykorzystujących je publikacji w Polsce i na świecie.

Jako najbardziej wskazane z punktu widzenia oświetlenia wnętrz budynków biurowych światłem dziennym są konstrukcje zacieniające, które zatrzymują promieniowanie bezpośrednie z dala od budynku, podczas gdy promieniowanie rozproszone i odbite od powierzchni gruntu jest kierowane do wnętrza. Jest to zgodne z badaniami przeprowadzonymi niezależnie przez innych autorów, którzy stwierdzili, że orientacja budynku nie ma większego wpływu na poziom zużycia energii do oświetlenia, co oznacza, że natężenie promieniowania rozproszonego i odbitego od powierzchni gruntu jest wystarczające do zapewnienia odpowiedniego do pracy natężenia iluminacji pomieszczeń. Zgodnie z obowiązującymi przepisami wymagany poziom natężenia oświetlenia w pomieszczeniach biurowych wynosi 500 lx. Mając to na uwadze zaproponowano używanie w budynkach biurowych kombinacji nadwieszeń i wewnętrznych systemów zacieniających zdolnych w razie konieczności zasłonić całą powierzchnię okna, np. żaluzji czy ekranów zacieniających. Ma to szczególne znaczenie zwłaszcza w okresie zimowym, kiedy Słońce jest nisko nad horyzontem i nadwieszenia nie mogą zatrzymać promieniowania bezpośredniego padającego do wnętrza budynku powodując tzw. olśnienie. Stosowanie w tej sytuacji wewnętrznych rozwiązań zacieniających powoduje, że do pomieszczenia wprowadzane są zyski słoneczne, a uciążliwe światło jest rozpraszane np. na ekranie zacieniającym. Ważne jest, aby żaluzje lub ekrany nie posiadały dużej refleksyjności, co powodowałoby straty ciepła przez odbicie zysków słonecznych przez szybę z powrotem do otoczenia. Stosowanie wewnętrznych rozwiązań ma także aspekt psychologiczny, bowiem pozwala użytkownikowi na sterowanie poziomem natężenia światła dziennego w budynku według własnych potrzeb.

Analizę obliczeniową przeprowadzono programem komputerowym Desktop Radiance, opracowanym w Lawrence Berkeley National Laboratory w Stanach Zjednoczonych. Jest to tzw. interface do środowiska symulacyjnego Radiance, będącego aktualnie jednym z najlepszych środowisk do symulacji rozkładu natężenia oświetlenia wewnątrz i na zewnątrz budynków. Przeanalizowano następujące zagadnienia:

Metoda oceny budynków użyteczności publicznej z pasywnymi systemami wykorzystania energii

słonecznej pod kątem oszczędności energii oraz komfortu cieplnego i wizualnego ludzi – etap 3

Henryk NowakPolitechnika Wrocławska Wrocław, [email protected]

Łukasz NowakPolitechnika Wrocławska Wrocław, [email protected]

Elżbieta ŚliwińskaPolitechnika Wrocławska Wrocław, [email protected]


98

1. wpływ zacienienia pomieszczenia nadwieszeniem horyzontalnym na dzienny rozkład natężenia oświetlenia światłem dziennym,2. wpływ wysięgu nadwieszenia zacieniającego na wartość natężenia światła dziennego w pomieszczeniu,3. wpływ odległości nadwieszenia zacieniającego od górnej krawędzi okna na wartość natężenia światła dziennego w pomieszczeniu,4. zastosowanie nadwieszeń horyzontalnych jako elementów kształtujących natężenie światła dziennego w pomieszczeniach.

Literatura[1] DUBOIS M-C., Solar Shading for Low Energy Use and Daylight Quality in Offices: Simulations, Measurements and Design Tools, Dept. of

Construction and Architecture, Div. of Energy and Building Design, Lund University (Sweden), 2001.[2] GALASIU A., ATIF M., Applicability of daylighting computer modeling in real case studies: comparison between measured an simulated

daylight availability and lighting consumption, Building and Environment, 37 (2002), pp.363-377.[3] GAYED R.B., GHALI A., “Double-Head Studs as Shear Reinforcement in Concrete I-Beams”, ACI Structural, Vol. 101, No. 4, July-August 2004,

pp. 549-557. [4] LARSON G. W., SHAKESPEARE R., Rendering with Radiance – The Art and Science of Lighting Visualization, Morgan Kaufmann Publishers

Inc., San Francisco, California, 1998.[5] VAN MIER J.G..M., Fracture Processes of Concrete, CRC Press, Boca Raton – New York – London – Tokyo, 1997, 448 pp.[6] MANCINI G., “Modelling for design”, Proceedings of the fib-Symposium 2004 Concrete Structures: the Challenge of Creativity, April 26-28, 2004,

Avignon, pp.59-63 and CD-ROM.


99

Słowa kluczowe: słoneczne instalacje grzewcze, wymiarowanie instalacji słonecznych, narzędzie użytkowe symulacji funkcjonowania słonecznych systemów grzewczych

StreszczenieW Instytucie Techniki Cieplnej na Wydziale MEiL PW w ramach realizacji tematu badawczego 3 „Niekonwencjonalne metody konwersji

i magazynowania energii oraz rozwiązania materiałowo - instalacyjnej energetyki odnawialnej zwiększające efekt energooszczędności i samowystarczalności energetycznej budynków, PT7, zostało stworzone narzędzie użytkowe do symulacji funkcjonowania i wymiarowania słonecznych systemów grzewczych, do podgrzewania ciepłej wody użytkowej oraz systemów typu kombi, tj. systemów c.w.u. i wspomaganie ogrzewania pomieszczeń, w warunkach krajowych. Stworzony program obliczeniowy (napisany do obliczeń w środowisku Visual Basic 2010) umożliwia wprowadzanie przez użytkownika własnych danych potrzebnych do symulacji działania instalacji lub korzystanie z domyślnych wartości parametrów zapisanych w bazie danych programu. Do obliczeń obciążeń cieplnych, jako dane wejściowe pogodowe wykorzystano temperaturę powietrza zewnętrznego, napromieniowanie i jego składowe dla 19 regionów kraju, zastosowano metodę stopnio-dni. Natężenie promieniowania półsferycznego padającego na płaszczyznę odbiornika o danej orientacji i pochyleniu jest wyznaczane przy wykorzystaniu modelu izotropowego promieniowania słonecznego dyfuzyjnego (Liu- Jordana). Symulacja działania instalacji uwzględnia różne rodzaje (płaski, próżniowy) i klasy (jakościowe) kolektorów słonecznych, oraz różne warianty zbiornika magazynującego: ze stratyfikacją ciepła lub z pełnym mieszaniem. Program wyznacza udział energii promieniowania słonecznego przy pokrywaniu potrzeb grzewczych użytkownika dla różnych konfiguracji instalacji, zarówno dla c.w.u. jak i ogrzewania pomieszczeń. Przeprowadzana jest również analiza ekonomiczna, w sposób statyczny i dynamiczny, dotycząca opłacalności zastosowania różnych rozwiązań instalacji słonecznych, zastępujących w części wykorzystanie paliw konwencjonalnych. Możliwe jest uwzględnienie dostępnych dopłat do kredytów na słoneczne instalacje grzewcze oferowane przez Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Stworzony program użytkowy oblicza także uzyskany dzięki zastosowaniu instalacji słonecznej efekt ekologiczny, który jest charakteryzowany poprzez wartość unikniętej emisji dwutlenku węgla.

Istotną cechą stworzonego programu jest to, iż może on przeprowadzić symulację działania instalacji w układzie ze zbiornikiem magazynującym ze stratyfikacją ciepła (uwarstwieniem termicznym) lub z pełnym mieszaniem. Stratyfikacja cieplna oznacza, że poszczególne warstwy cieczy w zbiorniku magazynującym mają różną temperaturę na różnej wysokości zbiornika, na dole najniższą i odpowiednio ze wzrostem wysokości zbiornika temperatury zmagazynowanej cieczy rośnie. Jest to pierwszy program dostępny w kraju, który uwzględnia stosowanie stratyfikacji termicznej w zbiornikach słonecznych instalacji słonecznych. Istnieje także możliwość wyboru rodzaju i klasy zastosowanego kolektora słonecznego. Podstawowe rodzaje kolektora to kolektor słoneczny płaski i kolektor próżniowo-rurowy, natomiast klasy kolektorów są określane, jako: średnia, dobra i bardzo dobra.

Użytkownik programu może rozważać, różne wielkości instalacji. W przypadku trybów, dla których rozważa się więcej niż jedną wielkość instalacji słonecznej, po przeprowadzeniu symulacji program prezentuje podstawowe wyniki symulacji dla wszystkich rozważanych wielkości instalacji, a po wybraniu przez użytkownika jednej z opcji prezentowane są szczegółowe wyniki dla tej opcji. W przypadku, gdy użytkownik sam podaje powierzchnię kolektorów słonecznych. Wtedy ma on wybór czy chce, aby program sam zaproponował odpowiednią objętość zbiornika magazynującego, czy też sam chce podać objętość zbiornika. W tym trybie istnieje również możliwość podania całkowitego kosztu instalacji słonecznej.

Narzędzie użytkowe symulacji funkcjonowania i wymiarowania słonecznych systemów grzewczych

Dorota Chwieduk Politechnika Warszawska Warszawa, [email protected]

Jerzy KutaPolitechnika Warszawska Warszawa, [email protected]

Jarosław BigorajskiMichał ChwiedukStudenci, Politechnika WarszawskaWarszawa, Poland


100

Słowa kluczowe: konstrukcja energoaktywna, pozyskiwanie EC z promieniowania słonecznego, segment dylatacyjny

W prezentacji pokazano: 1) wybór schematu statycznego rozdzielającego przechyłowe i belkowe mechanizmy zniszczenia oraz pozwalającego na zmniejszenie wytężenia elementów pod obciążeniem termicznym, a także na zachowanie wymiarowania wg norm szczegółowych bez konieczności zwiększania przekroju elementów; 2) podział hal na segmenty dylatacyjne redukujące wpływ temperatury na wytężenie elementów konstrukcji; 3) wybrane aspekty technologiczne związane z akumulacją, transportem i magazynowaniem energii cieplnej z promieniowania słonecznego.

Literatura[1] KOWAL Z., BRZEZIŃSKA K., „Wpływ temperatury na energoaktywne segmenty konstrukcji hali”, praca w przygotowaniu do publikacji[2] KOWAL Z., PIOTROWSKI R., „Energoaktywne segmenty dylatacyjne hal z przekryciem strukturalnym”, Budownictwo i Architektura, 12 (2),

2013, s. 221 – 228.[3] KOWAL Z., PIOTROWSKI R., „Energoaktywne segmenty dylatacyjne hal przekrytych strukturą ze ściągiem”, praca w przygotowaniu do

publikacji.[4] KOWAL Z., PIOTROWSKI R., SZYCHOWSKI A., „Przystosowanie hal przekrytych strukturą do pozyskiwania energii cieplnej z promieniowania

słonecznego”, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej Nr 283, Seria: Budownictwo i Inżynieria Środowiska, Zeszyt 59, Nr 2/2012/II, s. 431 – 438.

[5] KOWAL Z., SIEDLECKA M., „Energoaktywne segmenty samoczyszczącego przekrycia hali”, praca w przygotowaniu do publikacji

Wybrane zagadnienia wpływu temperatury na konstrukcję hal energoaktywnych

Karolina Brzezińska Politechnika ŚwiętokrzyskaKielce, [email protected]

Rafał PiotrowskiPolitechnika ŚwiętokrzyskaKielce, [email protected]

Zbigniew KowalPolitechnika ŚwiętokrzyskaKielce, [email protected]

Monika SiedleckaPolitechnika ŚwiętokrzyskaKielce, [email protected]

Karolina OtwinowskaPolitechnika ŚwiętokrzyskaKielce, [email protected]

Andrzej SzychowskiPolitechnika ŚwiętokrzyskaKielce, [email protected]


101

Słowa kluczowe: model matematyczny, ruch powietrza, wymiana ciepła, poddasze wentylowane.

1. WstępPowietrze w przegrodzie budowlanej wpływa istotnie na parametry fizykalne obudowy. Powietrze jako nośnik masowy oddziałuje i reguluje

wilgotność, przewodnictwo i wymianę cieplną, a ostatecznie wpływa na mikroklimat i komfort użytkowy w przestrzeniach zamkniętych obudową. W przypadku przegród wentylowanych przepływające powietrze decyduje o stanie wilgotnościowym wbudowanych materiałów, o stanie cieplnym poszczególnych powierzchni materiałowych, w tym o rozkładzie temperatur, a w niektórych konstrukcjach o potencjale energetycznym. Dość istotnym aspektem przy projektowaniu przegród budowlanych z wentylowaną warstwa powietrzną jest analiza wpływu różnych czynników konstrukcyjnych i klimatycznych na procesy wymiany ciepła w otwartej warstwie powietrznej. Ponieważ procesy wymiany ciepła, mają bezpośredni wpływ na proces ruchu powietrza w warstwie powietrznej, powinny one być uwzględniane nieodłącznie od siebie. Analiza stopnia wpływu różnych czynników konstrukcyjnych i klimatycznych na procesy wymiany ciepła, zachodzące w wentylowanej warstwie powietrznej przegrody budowlanej, umożliwiają dopasowanie czynnika geometrycznego i dobór materiałów w kierunku zmniejszenia zużycia energii do ogrzewania pomieszczeń w okresie zimowym i klimatyzacji w okresie letnim. Obecnie nie wystarczy prosty, logiczny i pragmatyczny przekaz np. o wyższości przegrody stropodachu wentylowanego nad pełnym. Konieczne jest narzędzie dowodzące poprawności niektórych hipotez, np. o możliwych rozkładach temperatur na powierzchni, które nie sprzyjają zlodowaceniu śniegu, jak to ma miejsce w przypadku stropodachów pełnych, czy o energoaktywności wentylowanych pokryć szklanych.

2. Analiza modelowaW objętościowo dużych warstwach wentylowanych w przypadku, gdy pole przekroju warstwy powietrznej znacznie przewyższa pole otworów

nawiewnych i wywiewnych, na przykład, w nieogrzewanych stropodachach półprzełazowych, gdzie wentylacja przewidziana jest przede wszystkim dla przeciwdziałania kondensacji pary wodnej, charakterystyczna jest mała prędkość ruchu powietrza (równa prawie zeru). W tym przypadku, w wyniku działania sił grawitacyjnych, oprócz podstawowego ruchu powietrza, które charakteryzuje wymianę powietrza, będzie zachodzić wewnętrzna cyrkulacja powietrza, jako skutek obecności w przestrzeni poddasza powierzchni o różnej temperaturze. Fakt ten, jak również konieczność uwzględnienia bocznych powierzchni powoduje, że fizyczne i matematyczne modele opisujące proces wymiany ciepła i ruch powietrza, będą mieć jeszcze bardziej złożony charakter w porównaniu do [1, 2].

W warunkach małych prędkości, ruch powietrza w przestrzeni poddasza częściowo ma charakter swobodnej konwekcji [3]. Trafiwszy do przestrzeni poddasza, zimne powietrze przemieszcza się w kierunku stropu, w wyniku oddziaływania siły ciężkości. Następnie powietrze nagrzewa się w pobliżu ciepłej powierzchni stropu. Część podgrzanego powietrza unosi się w kierunku zewnętrznej powierzchni przestrzeni stropodachu. Ponieważ powierzchnia zewnętrzna stropodachu ma niższą temperaturę, powietrze po oddaniu części ciepła znów przemieszcza się w kierunku stropu, mieszając się ze strumieniem powietrza, poruszającym się w pobliżu stropu. W ten sposób, powietrze częściowo krąży w przestrzeni stropodachu, a częściowo porusza się wzdłuż stropu.

W trakcie modelowania matematycznego procesu ruchu powietrza i wymiany cieplnej, wprowadzone zostały pewne założenia upraszczające Między innymi przyjęto założenie o stałej temperaturze powietrza w pobliżu górnej i dolnej powierzchni omówionej przestrzeni, co pozwoliło zredukować ilość równań bilansowych.

Na podstawie rozważań teoretycznych i modelu fizycznego powstał model matematyczny. Model matematyczny zawiera cztery równania bilansów cieplnych powierzchni, równanie bilansu cieplnego powietrza oraz równanie opisujące

ruch powietrza w warstwie wentylowanej. Model matematyczny łączy w sobie cztery niewiadome funkcje zmiany temperatur powierzchni w zależności od współrzędnej х: Т1(х), Т2(х), Т3(х), Т4(х), i funkcję zmiany temperatury powietrza Та(х), a także prędkość ruchu powietrza w warstwie υ. Model matematyczny pozwala określić charakterystyki geometryczne, strumienie cieplne i podział temperatur w przestrzeni stropodachu przy małych prędkościach ruchu powietrza, z uwzględnieniem strat ciepła przez boczne powierzchnie.

3. Weryfikacja eksperymentalnaPoprawność opracowanego modelu matematycznego zweryfikowano badaniami w warunkach rzeczywistych w dwóch rodzajach stropodachów:

w wentylowanym półprzełazowym oraz z przestrzenią strychową. W obu przypadkach wystąpiły wyłącznie niewielkie prędkości ruchu powietrza. Eksperyment przeprowadzono w okresie letnim i zimowym. Podczas badań mierzono temperaturę, strumienie ciepła i prędkość ruchu powietrza w otworach. Średnie względne odchylenie obliczanych wartości od mierzonych nie przewyższyło 9%. Ostatecznie otrzymano zależności przydatne do poprawnego obliczania parametrów geometrycznych stropodachu (wielkości otworów nawiewno – wywiewnych), rozkładu temperatur, w tym temperatury powierzchni zewnętrznej, wpływającej na proces powstawania lodu w okresie zimowym.

4. WnioskiOtrzymany model matematyczny procesu ruchu powietrza i wymiany ciepła w przestrzeni wentylowanej stropodachu poprawnie opisuje

zależności fizykalne w przegrodzie.Model może zostać wykorzystany w projektowaniu parametrów geometrycznych otworów nawiewno – wywiewnych stropodachu oraz do

analizy zmian temperatury na powierzchni w celu przeciwdziałania powstawaniu zlodowacenia w okresie zimy.

Weryfikacja modelu matematycznego procesów fizykalnych w przestrzeni poddasza wentylowanego

Jerzy Piotrowski Politechnika Świętokrzyska Kielce, [email protected]

Anatoliy StroyPolitechnika Świętokrzyska Kielce, [email protected]

Marianna OlenetsPolitechnika Świętokrzyska Kielce, [email protected]


102

Literatura[1] PIOTROWSKI J. Z., STROY A., OLENETS, M., Designing of ventilated façades with reduced heat losses. Civil Engineering, Cracow University of

Technology, 3 (109), 2012, pp. 337-344.[2] PIOTROWSKI J. Z., STROY A., OLENETS, M., Mathematical modelling of the steady state heat transfer processes in the convectional elements of

passive solar heating systems, Archives of Civil and Mechanical Engineering 13, 2013, pp. 394-400.[3] POGORZELSKI J.A., Fizyka cieplna budowli, PWN, Warszawa, 1976, s. 326.


103

Słowa kluczowe: tereny zurbanizowane, kanalizacja ogólnospławna, przelewy burzowe, ładunki zanieczyszczeń

1. WstępŚcieki pochodzące z przelewów burzowych kanalizacji ogólnospławnej stanowią jedno z podstawowych źródeł zanieczyszczenia odbiorników.

Analiza funkcjonowania przelewów burzowych tej sieci wymaga szczegółowego i wielopłaszczyznowego podejścia do tego tematu, bowiem częstość ich działania i ładunki zanieczyszczeń przez nie zrzucane do odbiorników są zależne od wielu czynników, które dodatkowo ze sobą powiązane. W myśl polskiego prawa (RMŚ z dnia 24 lipca 2006 z poźn. zm.) ilość zrzutów w ciągu roku dla każdego przelewu nie powinna przekraczać 10, ale nie ma jasno podanej metodyki ich liczenia. Podobnie, wspomniane rozporządzenie nie ogranicza w żaden sposób ładunków zanieczyszczeń, odprowadzanych do odbiornika przez przelewy burzowe. Z uwagi na silne zanieczyszczenie odbiorników, ładunki te winny być jednak zmniejszane w ramach modernizacji ogólnospławnego systemu kanalizacji. Podstawa do tych działań powinny być dane z monitoringu opadów oraz istniejących przelewów burzowych, a także wdrożony cyfrowy model kanalizacji ogólnospławnej.

2. Omówienie przeprowadzonych badańCelem prowadzonych badań było przede wszystkim określenie ładunku zanieczyszczeń zrzucanego przez przelewy burzowe

oraz zaproponowanie istotnych rozwiązań ograniczających jego wielkość kierowaną do środowiska. Badaniami objęto 3 wytypowane przelewy burzowe w Łodzi B-1, J-4 i J-1, które różnią się między sobą wysokością posadowienia krawędzi przelewu oraz wielkością i rodzajem zagospodarowania zlewni. Analizie poddano ścieki przedostające się do środowiska podczas różniących się charakterem zjawisk atmosferycznych, powodujących wzbudzanie przelewów. Zakres badań obejmował takie wskaźniki jak: zawiesiny ogólne i ich frakcje, ChZT z frakcjami, BZT5, azot ogólny i fosfor ogólny oraz wybrane metale ciężkie. Określono także wstępnie skażenie mikrobiologiczne mieszaniny ścieków kierowanych do odbiorników podczas intensywnych opadów.

Wspomniany wcześniej sposób obliczania ilości zrzutów przez przelewy burzowe jest dyskusyjny, ponieważ z obserwacji wynika, że w czasie trwania jednego zjawiska opadowego może nastąpić kilka wzbudzeń tego samego przelewu. Powstaje więc pytanie, czy liczyć każdy, czy potraktować je jako jedno ze względu na fakt działania w ciągu jednego opadu, sumując jedynie ilość zrzuconych ścieków. W przeprowadzonych analizach funkcjonowania łódzkich przelewów przyjęto drugą z przedstawionych metod, uważając ją za bardziej poprawną i odpowiednią.

Częstość działania przelewów burzowych jest ściśle powiązana nie tylko z charakterem opadu, ale także z porą dnia, w której następuje wzmożony dopływ ścieków do kanalizacji, co przenosi się na ilość wypływających przez przelew ścieków. W związku z tym opracowano wyniki analizy hydraulicznej dla wybranych przelewów z określeniem granicznego natężenia opadu, Qgr, powyżej którego następuje aktywacja przelewu. Każdy poddany analizie obiekt charakteryzował się inną budową i wysokością krawędzi przelewu, inną wielkością ciążącej do niego zlewni oraz innymi warunkami pracy. Dlatego też graniczne natężenie przepływu, aktywujące przelew, Qgr zmienia się w granicach 0.38 – 2.9 m3/s. Przeanalizowano również zależność działania przelewu od wysokości i czasu trwania opadu. Okazało się, że czasami stosunkowo niewielki opad może przy sprzyjających warunkach powodować wzbudzenie przelewu i obciążać odbiornik nieczyszczonymi ściekami. Wykorzystanie zatem retencji terenowej może stanowić jeden z podstawowych czynników wpływających na ograniczenie ilości zrzutów ścieków, na co również wskazano w tym opracowaniu.

Częstość i długość trwania zrzutów ma wpływ na wielkość ładunku zanieczyszczeń kierowanego do odbiornika. Dzięki wykonaniu analiz laboratoryjnych wzbogaconych zastosowaniem pomiarów on-line otrzymano bogatą bazę danych odnośnie zmian dynamiki składu ścieków płynących kanałami oraz tych opuszczających przelewy burzowe w kierunku odbiornika. Wg otrzymanych wyników ładunki zawiesin ogólnych i ChZT sięgały od kilku do kilkunastu tysięcy kg z jednej aktywacji (w zależności od przelewu). I tak np. dla zawiesin ogólnych ładunek emitowany podczas okresu badań przez przelew B-1 wahał się w zależności od charakteru zjawiska opadowego od 1756 do 12547 kg, dla J-4 945 – 12731 kg, a dla J-1 39-6199 kg. W przypadku biogenów, badania składu ścieków kierowanych do odbiornika także wykazały ich obecność i w zależności od badanego przelewu B1, J4 lub J1 ładunki zrzucanego np. fosforu wahały się od około 1,5 do 63 kg ze zjawiska. Biorąc pod uwagę, że z 1 kg tego wskaźnika emitowanego do odbiornika powstaje 1500 kg zielonej masy, łatwo zauważyć zatem jak niebezpieczna dla jego prawidłowego funkcjonowania jest jego obecność w ściekach. Zauważono, że przelew działający rzadziej (B1), ale obsługujący większy rejon kanalizacji generuje wyższe ładunki zanieczyszczeń, niż np. przelew J1. Zatem nie zawsze częstość jest wyznacznikiem stopnia skażenia odbiornika.

3. Ocena funkcjonowania przelewów burzowychW przypadku Łodzi dla sieci kanalizacji ogólnospławnej, opierając się na wynikach pomiarów, można stwierdzić, iż funkcjonuje aktywnie

15 przelewów, a ich częstotliwość jest z reguły wyższa, niż dopuszczają to przepisy krajowe. Przelewy mogą działać jednocześnie lub pojedynczo ze względu na nierównomierność przestrzenną opadu nad zlewnią, ale z reguły łącznie działa ich zawsze kilka. Dlatego też ładunek zanieczyszczeń kierowany przez niewielkie rzeki łódzkie będące odbiornikami nieczyszczonych ścieków do rzeki Ner jest duży. Polskie prawo nie odnosi częstości działania przelewu od wielkości odbiornika. Zatem zarówno do dużego, jak i małego cieku wodnego, może dostać się podobna masa ładunku

Możliwości ograniczenia ładunków zanieczyszczeń, kierowanych do środowiska przez przelewy burzowe

kanalizacji ogólnospławnej

Agnieszka BrzezińskaPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Dawid BandzierzPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]


104

zanieczyszczeń powodując jednak zupełnie inne konsekwencje. Analizy wykazały, że zdecydowanie bezpieczniejszym podejściem dla odbiornika jest nie ilość aktywacji przelewu burzowego, a wielkość ładunku odprowadzanego za jego pośrednictwem. Szczególnego znaczenia nabiera to w przypadku analizy potwierdzenia występowania pierwszej fali zanieczyszczeń na przelewach. Jej występowanie dla poszczególnych badanych wskaźników wskazuje na silne zanieczyszczenie ścieków kierowanych bez podczyszczenia bezpośrednio do odbiornika w pierwszym okresie działania przelewu.

W przypadku emisji z przelewów burzowych do środowiska przedostają się również znaczne ilości bakterii Coli typu kałowego, Escherichia coli oraz Enterokoków, których źródłem są zarówno ścieki bytowe, jak i wypłukiwane osady kanałowe oraz biofilm. Stanowią one zagrożenie dla odbiorników wodnych, w tym dla wód wykorzystywanych do rekreacji oraz do celów wodociągowych. Zagrożenie to nie znajduje, jak dotąd, odpowiedniego odzwierciedlenia w obowiązujących przepisach dotyczących jakości ścieków kierowanych do bezpośrednio odbiornika.

Biorąc pod uwagę wyniki analiz, celową staje się zmiana podejścia dotyczącego oceny funkcjonowania przelewów burzowych z ilościowego (liczby wzbudzeń w ciągu roku) na polegającą na określeniu dopuszczalnej wartości emisji zanieczyszczeń na jednostkę powierzchni zlewni. Dopuszczalna liczba wzbudzeń przelewu burzowego w ciągu roku będzie wynikać z emitowanego rocznego ładunku zanieczyszczeń, więc może być zarówno mniejsza, jak i większa, niż 10. Oprócz tego zalecane byłoby monitorowanie ładunków chwilowych ze względu na różną wrażliwość odbiorników na zanieczyszczenie.

4. Propozycje modernizacji system ogólnospławnegoW związku z zagrożeniem środowiska, powodowanym przez zrzuty nieoczyszczonych ścieków ogólnospławnych do odbiorników proponuje się

kilka rozwiązań mających na celu ograniczenie funkcjonowania tych obiektów:1) zorganizowanie na zlewni obiektów retencji terenowej, ograniczających wielkość spływu ścieków opadowych do kanalizacji; niezbędne jest

określenie jednostkowej wielkości retencji,2) zastosowanie regulacji wysokości krawędzi przelewów, szczególnie, jeśli na sieci funkcjonuje kilka przelewów bezpośrednio na siebie

oddziałujących,3) jeśli to możliwe, zastosowanie na wskazanych obiektach urządzeń podczyszczających ścieki kierowane do odbiornika,4) opracowanie metod postępowania i wytycznych do podejmowania odpowiednich decyzji z uwzględnieniem wyników symulacji komputerowej

odnośnie funkcjonowania sieci pod kątem hydraulicznym oraz z uwzględnieniem modelu spływu zanieczyszczeń.


105

Słowa kluczowe: ścieki opadowe, kanalizacja deszczowa, rozwój zrównoważony

1. Cel i zakres przeprowadzonych badańCelem przeprowadzonych badań była analiza jakości ścieków odprowadzanych z obszarów zurbanizowanych w celu określenia ich wpływu

na odbiornik i ustalenia zaleceń co do możliwości ich zagospodarowania zgodnie z zasadami zrównoważonego rozwoju. Badaniom poddano wody i ścieki opadowe odprowadzane z powierzchni o różnym sposobie zagospodarowania i lokalizacji. Badania prowadzone w cyklu wieloletnim umożliwiły analizę jakościową spływów pochodzących z różnych zjawisk opadowych, o zmiennej intensywności, czasie trwania i pojawiających się po zróżnicowanych czasowo okresach pogody suchej, co w istotny sposób wpływa na ich stopień zanieczyszczenia. Wg aktualnie obowiązujących uregulowań prawnych ocena jakości ścieków opadowych odprowadzanych do wód i do ziemi musi być dokonywana jedynie pod kątem zawartości zawiesin i substancji ropopochodnych, jednak w ramach prowadzonych badań zakres analiz był poszerzony, przede wszystkim o metale ciężkie (cynk, miedź, ołów i kadm), a także zawartość związków organicznych określanych jako ChZT, odczyn, sporadycznie także inne wskaźniki. Badane były spływy opadowe pochodzące z jednostkowych powierzchni, takich jak dachy (przy różnych materiałach pokryć dachowych), ulice, chodniki, place manewrowe i parkingi, a także z wylotów kanalizacji deszczowej do rzek łódzkich. Przeprowadzono także badania mające na celu określenie efektywności podczyszczania ścieków opadowych w urządzeniach takich jak obiekty infiltracji z roślinnością czy osadnik ścieków opadowych.

2. Wyniki badańPrzeprowadzone badania wykazały, że jakość ścieków opadowych odprowadzanych z obszarów zurbanizowanych charakteryzuje się bardzo dużą

zmiennością. Stwierdzono bardzo niskie stężenia substancji ropopochodnych, nie przekraczające kilku mg/l. Wyższe stężenia były obserwowane w ściekach deszczowych odprowadzanych z zajezdni autobusowej – maksymalnie 7,25 mg/l, przy czym w tym przypadku zaobserwowano największe wahania stężeń. Najniższe stężenia substancji ropopochodnych występowały w ściekach pochodzących z terenów mieszkaniowych – na ogół nie przekraczały one 1 mg/l. W żadnym przypadku nie stwierdzono stężeń przekraczających 15 mg/l, co jest wartością dopuszczalną przy odprowadzaniu ścieków do wód i do ziemi. Zawartość metali ciężkich była zróżnicowana, ale nie obserwowano podwyższonych stężeń ołowiu i kadmu Najwyższe były stężenia cynku – do ponad 4 mg/l w spływach z ulic i do ponad 17 mg/l w spływach z dachów krytych blachą ocynkowaną. W spływach za dachów krytych blachą miedzianą stwierdzano wysokie stężenia miedzi – do ponad 6 mg/l. Stężenia zawiesin w ściekach odprowadzanych do odbiorników mieściły się w granicach od kilkudziesięciu do kilkuset mg/l (przy dopuszczalnym stężeniu 150 mg/l), ale w spływach odprowadzanych z ulic przekraczały niekiedy 3000 mg/l. Ustalono, że infiltracja ścieków opadowych przez warstwę gruntu pokrytą roślinnością efektywnie obniża (na ogół w ponad 90%) zawartość cynku i miedzi, zaś podczyszczanie w osadniku skutecznie ogranicza zawartość zawiesin i wszystkich badanych metali ciężkich.

3. WnioskiUzyskane dane umożliwiają wytypowanie powierzchni i zlewni, z których bezpośrednie odprowadzanie spływów opadowych do wód

powierzchniowych lub do gruntu nie stanowi zagrożenia dla środowiska oraz opracowanie zaleceń co do typów stosowanych urządzeń podczyszczających tam, gdzie są one wymagane. Pozwoli to na coraz bardziej powszechne stosowanie zasady zagospodarowania opadu w miejscu jego występowania, a także optymalne wykorzystanie środków przewidzianych na gospodarkę ściekami opadowymi na obszarach zurbanizowanych.

Zanieczyszczenie ścieków opadowych jako istotne kryterium ich zagospodarowania

Grażyna SaksonPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Ewa BadowskaPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]


106

Słowa kluczowe: tereny zurbanizowane, kanalizacja miejska, modelowanie cyfrowe, zjawisko opad-odpływ

1. WstępFunkcjonowanie infrastruktury na terenach zurbanizowanych dotyczy także w dużym stopniu systemów kanalizacyjnych. W ostatnich latach

wraz z tendencjami zmian klimatu na Ziemi, obserwuje się występowanie opadów coraz bardziej gwałtownych, które przekraczają tzw. normatywne, na które od wielu lat projektowano systemy kanalizacji deszczowej i ogólnospławnej. Dlatego też tereny zurbanizowane są narażone na dysfunkcje w postaci tzw. powodzi miejskich, a odbiorniki ścieków są przeciążane hydraulicznie i ładunkami zanieczyszczeń. Analiza funkcjonowania systemów kanalizacyjnych i określenie potrzeby ich modernizacji wymaga obecnie zastosowania techniki cyfrowej, pozwalającej na odtwarzanie obciążenia tych systemów w okresach opadów intensywnych oraz przeprowadzanie wielowariantowych symulacji. Pod uwagę należy brać wyniki pomiarów opadu i odpływu dla zlewni rzeczywistych.

2. Nagłówek 2W ramach badań, prowadzonych w POiG podjęto próbę analizy rzeczywistego systemu kanalizacji ogólnospławnej na terenie Łodzi. Model

cyfrowy uwzględnia rzeczywisty rozkład i wędrówkę opadu nad terenem zlewni w odniesieniu do pomiaru opadów przez system pluwiometrów, rozmieszczonych na terenie miasta i został skalibrowany na podstawie ciągłych pomiarów natężenia przepływu w wybranych komorach przelewów burzowych wg danych ZWiK.

Celem ogólnym Projektu jest rozwój polskiej gospodarki poprzez wsparcie działalności naukowej na potrzeby przedsiębiorców, zapewniając tym samym podaż najnowocześniejszych rozwiązań technologicznych dla gospodarki. Strategiczny cel projektu zostanie zrealizowany poprzez przeprowadzenie prac badawczo – rozwojowych oraz koncepcyjnych w obszarach i zagadnieniach szczególnie istotnych dla rozwoju gospodarki kraju. Prace badawcze będą prowadzone ze szczególnym uwzględnieniem kwestii oszczędności energii, wykorzystania alternatywnych materiałów i rehabilitacji obszarów zdegradowanych.

W efekcie realizacji działań bezpośrednich w ramach projektu możliwy będzie rozwój polskiej gospodarki w oparciu o innowacyjne przedsiębiorstwa, w szczególności:

• zwiększenie innowacyjności i konkurencyjności przedsiębiorstw poprzez możliwość adaptacji wyników i rezultatów badań do zastosowań praktycznych,

• wzrost konkurencyjności polskiej nauki, • zwiększenie znaczenia roli nauki w rozwoju gospodarczym, • zwiększenie udziału innowacyjnych produktów polskiej gospodarki w rynku międzynarodowym, • tworzenie trwałych i lepszych miejsc pracy, · wzrost wykorzystania technologii informacyjnych i komunikacyjnych w gospodarce.

Tym samym Projekt jest w pełni spójny z celami ogólnymi PO IG. Projekt jest również kompatybilny z celami szczegółowymi PO IG zakładającymi m.in.:

• zwiększenie innowacyjności przedsiębiorstw, • wzrost konkurencyjności polskiej nauki,• zwiększenie roli nauki w rozwoju gospodarczym, • zwiększenie udziału innowacyjnych produktów polskiej gospodarki w rynku międzynarodowym.

Planowane w ramach projektu działania zakładają m.in.:• 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 międzynarodowe 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 zrównoważonemu rozwojowi społeczeństwa.

Projekt jest zgodny z celami Działania 1.1. PO IG „Wsparcie badań naukowych dla budowy gospodarki opartej na wiedzy” bowiem rozwiązywanie zagadnień merytorycznych objętych projektem ma duże znaczenie dla szybkiego rozwóju cywilizacyjno-gospodarczego kraju, w szczególności

Wyniki modelowania odpływu ścieków opadowych z terenów zurbanizowanych na przykładzie Łodzi

Marek ZawilskiPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]


107

zdynamizowanie zrównoważonego rozwoju gospodarczego, rozwoju budownictwa mieszkalnego, użyteczności publicznej i infrastruktury sieciowej i drogowej dla poprawy jakości życia polskiego społeczeństwa.

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 naukowe, które zgodnie z Krajowym Programem Badań Naukowych i Prac Rozwojowych (KPBNiPR) mają największy wpływ na szybki rozwój cywilizacyjno-gospodarczy kraju i budowę gospodarki opartej na wiedzy. Oznacza to, że projekt jest zgodny z celami I Osi priorytetowej PO IG, 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 spełnia kryterium wsparcia dla dużego multi - i transdyscyplinarnego projektu badawczego. Równocześnie do udziału w projekcie zostaną włączeni studenci i doktoranci, a prowadzone badania naukowe staną się podstawą prac magisterskich (inżynierskich) i doktorskich.


108

Słowa kluczowe: ścieki opadowe, opad-odpływ, modelowanie cyfrowe

1. WstępŚcieki opadowe są jednym z głównych czynników zanieczyszczenia wód na terenach zurbanizowanych. Prognozowanie ich ilości i składu

stanowi podstawę do opracowywania metod ich zagospodarowania zgodnie zasadami rozwoju zrównoważonego wspomnianych terenów. Wygodnym narzędziem służącym temu celowi są modele cyfrowe, w tym przypadku umożliwiające prognozowanie ilości ścieków opadowych, czyli zjawiska opad-odpływ, a także ich składu jakościowego.

W ramach POiG temat 8.1 wykonano cykl badań, który doprowadził do ustalenia zasad tworzenia cyfrowych modeli kanalizacji deszczowej wraz z przypisaną jej zlewnią zurbanizowaną.

2. Charakterystyka wykonanych badań i analizW ramach przeprowadzonych badań opracowano w pierwszym rzędzie wyniki wcześniejszych badań terenowych, wykonanych w latach 1987-

1991 dla zlewni „Dąbrowa Przemysłowa” i dla tejże zlewni sporządzono model cyfrowy w programie SWMM v.5.0.22. W oparciu o zgromadzone w tym okresie dane pomiarowe dotyczące natężenia odpływu i spływu zanieczyszczeń, skalibrowany wspomniany model pod względem hydraulicznym oraz spłukiwania zawiesin. W tym cyklu badań wyznaczono hydrologiczne parametry modelu – hydrauliczną szerokość pasa spływu, wartość retencji terenowej oraz współczynniki szorstkości terenu zlewni i przewodów.

Następny etap dotyczył organizacji stanowiska badawczego „Liściasta”, gdzie na wlocie do osadnika ścieków deszczowych zainstalowano zestaw pomiarowy do natężenia przepływu (czujnik prędkości i czujnik poziomu napełnienia wraz z panelem gromadzącym dane) oraz pobieraki prób na dopływie do osadnika i odpływie z niego. Dodatkowo został także zamontowany czujnik stanu napełnienia w samym osadniku.

Poczynając od r.2012 rozpoczęto pomiary ciągłe ilości spływających ścieków oraz składu zanieczyszczeń dla wybranych zjawisk opadowych (zawiesiny ogólne, ChZT, metale ciężkie i węglowodory ropopochodne). Wyniki tych pomiarów posłużyły do weryfikacji modelu hydrologicznego oraz modelu nagromadzenia i spłukiwania zanieczyszczeń w programie SWMM. Umożliwiły także ocenę sprawności technologicznej osadnika, kierującego podczyszczone ścieki opadowe do rzeki Sokołówki.

3. Wykorzystanie wyników analiz w praktycePrognozowanie ilości i składu ścieków opadowych umożliwia ocenę zanieczyszczenia wód na terenach zurbanizowanych, a w tym także

podejmowanie decyzji na temat koniecznego stopnia podczyszczania tych ścieków.Z uzyskanych dotąd wyników wynika, iż model hydrologiczny wiernie odtwarza rzeczywiste pomierzone natężenia przepływu. Błąd

modelowania wynika głównie stąd, iż do obliczeń symulacyjnych przyjmowano dane z posterunku pomiarowego IPS-Zgierska, odległego o ok. 1.5 km od środka badanej zlewni. Zanieczyszczenie ścieków opadowych udaje się modelować, przyjmując podobne, jak w przypadku innych zlewni, współczynniki nagromadzenia i spłukiwania zanieczyszczeń. Natomiast badania jakościowe wykazały niewielki poziom zanieczyszczenia metalami ciężkimi(występujących w ilościach śladowych w odpływie z osadnika), a także substancjami ropopochodnymi (poziom znacznie poniżej normatywnego 15 mg/l). Oznacza to w praktyce, że w przypadku odcinków rzek, planowanych do ochrony i renaturyzacji, zawiesiny ogólne stanowią jedyny wskaźnik zanieczyszczenia, który powinien być obniżany.

Badania i modelowanie składu ścieków opadowych z terenu Łodzi

Marek ZawilskiPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Błażej DziedzielaPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]


109

Słowa kluczowe: zagęszczalność gruntu, piaski hydrofobizowane, hydrofobizacja

1. WstępObniżenie wodoprzepuszczalności mineralnych gruntów sypkich otwiera nowe możliwości ich inżynierskich zastosowań np. w miejscach,

gdzie wysoki poziom wód gruntowych wymagał stosowania innych, niejednokrotnie kosztownych rozwiązań. Jednym ze sposobów podwyższenia odporności pisaków na działanie wody jest proces hydrofobizacji. W Katedrze Geotechniki i Budowli Inżynierskich Politechniki Łódzkiej prowadzone są badania nad wpływem dodatku alkoksysilanowych emulsji wodnych na właściwości wodoprzepuszczalności gruntów sypkich. Dotychczasowe badania wykazały, że dodatek niektórych emulsji hydrofobizujących zmniejsza współczynnik wodoprzepuszczalności o trzy rzędy wielkości. Zasadność hydrofobizacji piasków w kontekście różnorakich zastosowań inżynierskich będzie potwierdzona najlepiej wtedy, gdy udowodni się, że proces hydrofobizacji nie wpłynie ujemnie na właściwości wytrzymałościowe piasków i ich zagęszczalność. Tematem badań, który wyniki prezentowane są w niniejszym referacie, jest wpływ dodatku emulsji alkoksysilanowej na właściwości wytrzymałościowe i zagęszczalność gruntów hydrofobizowanych.

2. Opis i wyniki badań Celem oceny wpływu dodatku emulsji alkosysilanowej na właściwości wytrzymałościowe piasków hydrofobiozowanych, zbadano

podstawowywskaźnikiem wytrzymałości gruntów sypkich - kąt tarcia wewnętrznego. Jako wyznacznik zagęszczalności gruntów przyjęto maksymalną gęstość objętościową uzyskaną metodą wibracyjną. Badania prowadzono dla piasków hydrofobizowanych (SaHyd) o obniżonym poprzez dodatek emulsji alkosysilanowej współczynniku filtracji (próbki te charakteryzują się współczynnikiem k<1E-8) oraz porównawczo - dla piasków naturalnych średnich – MSa (dla których współczynnik k≈4.85E-5).

Kąt tarcia wewnętrznego badano wg zaleceń normy PN-88/B-04481. Konsolidację próbek przeprowadzono kolejno przy naprężeniach normalnych równych 50, 100, 200, 300 kPa. Przykładowe wykresy tego procesu pokazano na rys. 1 oraz rys.2

Właściwości wytrzymałościowe piasków hydrofobizowanych emulsjami alkoksysilanowymi

Patrycja Baryła Politechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Marek WojciechowskiPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]


Rys 1. Wykres zmian naprężeń stycznych od przemieszczenia poziome dla próbki MSa

Rys 2. Wykres zmian naprężeń stycznych od przemieszczenia poziome dla próbki SaHyd


110

Maksymalną i minimalną gęstość objętościową wyznaczano z użyciem cylindra normowego (wymiary według PN-88/B-04481), zagęszczając próbkę gruntu na stole wibracyjnym. Przykładowe wyniki badań zestawiono w Tabeli 1.

3. WinoskiPorównując wyniki badania kąta tarcia wewnętrznego oraz gęstości maksymalnej zauważa się, że dodatek emulsji hydrofobizującej nie wpływa

na te wielkości Ponieważ dobra zagęszczalność gruntów sypkich jest jedną z istotniejszych cech determinujących możliwość ich zastosowania w budownictwie, wynik tego doświadczenia potwierdza możliwość użycia nowego materiału jakim jest grunt modyfikowany np. jako warstwy nośnej przy posadowieniu bezpośrednim budynków.

Literatura[1] Stańczyk W.A., Ganicz T., Kurjata J., Lefik M., Wojciechowski M., Baryła P.(2012) Zgłoszenie Patentowe P.401246, z dnia 16.10.2012.[2] Polska Norma PN-88/B-04481. Grunty budowlane. Badania próbek gruntu. [3] Myślińska E. (1998). „Laboratoryjne Badania Gruntów”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1998[4] Baryła P., Wojciechowski M.,Lefik M. „Właściwości piasków hydrofobizowanych emulsjami alkoksysilanowymi ustalone w badaniach

wstępnych”, Budownictwo i Inżynieria Środowiska. Budownictwo i inżyniera środowiska, Vol.4 No.2 pp.91-99

Tab 1. Zestawienie wartości kąta tarcia wewnętrznego i gęstości właściwe


111

Słowa kluczowe: przesłona przeciwfiltracyjna, bariera przeciwfiltracyjna, jet grouting, soilcrete, ograniczanie zanieczyszczeń wód gruntowych

1. Kolumny jet grouting jako przesłona przeciwfiltracyjna Iniekcja wysoko ciśnieniowa jet grouting opisywana była niejednokrotnie w wielu publikacjach jako jedna z metod poprawy charakterystyki

gruntu. Standardowo stosowana jest dla zwiększenia nośności gruntu dla posadowienia obiektów budowlanych. Metoda polega na wtłaczaniu w grunt rodzimy zawiesiny wodno-cementowej pod wysokim ciśnieniem i z dużą prędkością. Działanie takie powoduje bezpośrednio za dyszą zniszczenie struktury gruntu i wymieszanie jego cząstek z wprowadzonym iniektem. Część zaczynu wydostaje się po żerdzi wiertniczej na powierzchnię terenu tworząc urobek technologiczny nie nadający się do ponownego wykorzystania.

Grunt wymieszany z zaczynem cementowym cechuje się wysoką wytrzymałością, niską odkształcalnością oraz niewielką przepuszczalnością [1]. Ta ostatnia cecha pozwala na wykorzystanie iniekcji strumieniowej, przy zachowaniu staranności wykonania, jako jednej ze skutecznych metod tworzenia barier – przesłon przeciw filtracyjnych pionowych oraz poziomych.

Stosując wyżej wymienione bariery nadkłada się znaczne ilości materiału wtłoczonego ze względu na niewystarczające poznanie zagadnień związanych z zasięgiem rozprzestrzeniania się w gruncie zaczynu, a tym samym uzyskiwanych średnic kolumn. Ten parametr jest niezwykle istotny dla szczelności przesłony. Wiele publikacji krajowych oraz zagranicznych [2, 3, 4, 5] opisuje różne podejścia dla oszacowania średnic kolumny. Niestety brak jest w dalszym ciągu matematycznego modelu tworzenia się kolumny w gruncie. Również brak jest w praktyce inżynierskiej prostych metod określenia średnicy uzyskanej kolumny z cemnetogruntu, szczególnie na dużej głębokości. Liczne badania pozwoliły na opracowanie nomogramów, lecz problem ten w dalszym ciągu pozostaje otwarty. Średnicę uzyskanej kolumny określa się w zasadzie empirycznie, na podstawie doświadczenia (odkrywek ograniczonych zazwyczaj do kilku metrów). Niestety nigdy nie wiadomo co dzieje się pod powierzchnią na znacznych głębokościach. Brak wiedzy jest przeciwnikiem wykonywania pionowych przesłon z jet groutingu na korzyść barier z kolumn DSM. Należy stwierdzić, że kolumny DSM stosuje się w zakresie średnic do 180cm a jet grouting do 2,5m. Istnieją realizacje gdzie uzyskano średnice kolumny 5m przy jednym otworze wiertniczym.

Należy wspomnieć, że niezwykle istotne jest opracowanie metody pomiaru in situ kolumn, która pozwoli na stworzenie modelu matematycznego, opisującego proces tworzenia się kolumny iniekcyjnej. Autorzy opracowania pracują nad stworzeniem narzędzia pomiarowego dającego ciągły obraz średnicy kolumny. Przeprowadzenie badań z użyciem wspomnianego narzędzia pozwoli na określenie, przy znanych gruntach i parametrach iniekcji formuły tworzenia się kolumny o danej średnicy.

2. Perspektywy i badania Iniekcję strumieniową możemy wykonywać praktycznie w każdym gruncie. Od żwirów przez piaski do glin. W praktyce za pomocą jet groutingu

wykonuje się podstawowe struktury takie jak, palisady, poziome płyty denne, rzadziej ściany panelowe. Palisady wykonuje się poprzez iniekcję pojedynczych kolumn w rozstawie mniejszym niż spodziewana średnica. Poziome przesłony lub płyty denne ze scementowanego gruntu tworzone są podobnie jak palisady. Otwory nawierca się jeden obok drugiego tak aby strefy iniekcji zachodziły na siebie. Uzyskane w ten sposób przegrody są w większości przypadków szczelne dla wód gruntowych. Rzadziej stosowane są ściany panelowe. Wywodzą się z palisad lecz różnica ich tworzenia polega na tworzeniu przegrody bez rotacji żerdzi. Wykonuje się niewielkie ruchy wahadłowe pozwalające wykonać przesłonę o zadanej grubości.

Stosowanie iniekcji strumieniowej w zupełności uzasadnione jest w sytuacjach, kiedy zachodzi potrzeba wykonania szczelnego ekranu wokół składowisk odpadów niebezpiecznych dla środowiska, zbiorników na ciecze poprodukcyjne itp. Dodatkowo znajduje zastosowanie przy uszczelnianiu wałów przeciwpowodziowych oraz bardzo często przy zabezpieczaniu dna wykopu, szczególnie przy głębokim posadowieniu. Ze względu na samojezdną wiertnicę, niewielkich rozmiarów wykonanie wszelkich prac nawet w trudno dostępnym terenie nie nastręcza większych problemów.

Projektowanie i kontrola średnic kolumn na potrzeby wykonania barier przeciwfiltracyjnych wykonywanych

w technologii iniekcji struminieowejŁukasz Mielczarek Politechnika Łódzka Łódź, [email protected]


Rys 1. Od lewej schemat wykonania szczelnej wanny jako odcięcia strefy niebezpiecznej dla środowiska i wód gruntowych. Od prawej schemat wykonania uszczelnienia wału przeciw powodziowego lub zbiornika na ciecze poprodukcyjne.


112

W zależności od zapotrzebowania rozróżnia się trzy podstawowe systemy iniekcji strumieniowej. Poniższa tabela przestawia zależności pomiędzy przyjętą technologią wykonania na możliwymi do osiągnięcia średnicami [4]:

Możliwość zastosowania iniekcji strumieniowej jet grouting na potrzeby wykonywania szczelnych przesłon pionowych oraz poziomych ma również zalety ekonomicze i technologiczne. Stosowanie lekkiego sprzętu w postaci niewielkiej wiertnicy daje wręcz nieskończone możliwości dostępu w trudne rejony. Projektowanie oszczędnych przegród utrudnia jednak poważny brak w wiedzy, obejmującej metody pomiarów średnic in situ, który pozwoliłby na przyjęcie śmielszych założeń projektowych. Obecnie nie jest problemem zmierzenie ciągłości kolumny lecz sprawdzenie jej średnicy z dokładnością gwarantującą ekonomiczne wykonanie.

W ramach projektu POIG autorzy pracują nad narzędziem pomiarowym pozwalającym wykonywać ciągłe pomiary kolumn a wyniki przedstawiać w formie wykresu średnica/ długość. Dodatkowo planuje się stworzyć bazę danych przypisującą przyjęte parametry iniekcji, rodzaj gruntu oraz uzyskany rezultat. Spodziewamy się, że wiedza zebrana pozwoli na stworzenie formuły opisującej rozprzestrzenianie się zaczynu cementowego w ośrodku gruntowym

Literatura[1] Babak Nikbakhtan, Morteza Osanloo, “Effect of grout pressure and grout flow on soil physical and mechanical properties in jet grouting

operations”, International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 46 (2009) 498–505 [2] Kazimierz Gwizdała, Przemysław Kościk, “Zastosowanie iniekcji strumieniowej do wzmacniania posadowień istniejących obiektów

budowlanych”.[3] Joanna Bzówka, “Współpraca kolumn wykonywanych techniką iniekcji strumieniowej z podłożem gruntowym”, Tom 205 z Monografia -

Politechnika Śląska, 28[4] Giovanni Spagnoli, “Theoretical Evaluations of Liquefaction Mitigation Through Jet Grouting”, Geotechnical News, September 2008, 41-45[5] Chu Eu Ho, “Turbulent Fluid Jet Excavation in Cohesive Soils with Particular Application to Jet Grouting”, Thesis, Archive of Massachusetts

Institut of Technology, 2005.


113

Słowa kluczowe: szara woda, metody zaawansowanego utleniania

1. Cel badańCelem badań było sprawdzenie możliwości zastosowania alternatywnych metod oczyszczania szarej wody z wykorzystaniem nowoczesnych

technologii fizyko-chemicznych na podstawie badań próbek modelowych i rzeczywistych.

2. Zakres badańW celu oceny poszczególnych metod oczyszczania szarej wody prześledzono i opracowano analizy dwóch rodzajów szarej wody: syntetycznej

oraz rzeczywistej - pochodzącej z prania.Zastosowano następujące metody fotochemiczne:• Naświetlanie lampą UV.• Ozonowanie.• Naświetlanie w układzie UV/ H2O2

Analizowanymi parametrami szarej wody były:• odczyn, mętność [NTU], chemiczne zapotrzebowanie na tlen, CHZT [mg O2/dm3], biologiczne zapotrzebowanie na tlen, BZT5 [mg O2/

dm3] oraz zawartość anionowych substancji powierzchniowo czynnych [mg/dm3].

2. Wyniki i wnioskiNa podstawie dostępnej literatury przystępując do badań zakładano, iż technologie oparte na fotolitycznym działaniu światła UV oraz

pogłębionym utlenianiu powinny zapewnić osiągnięcie następujących celów:• usunięcie barwy roztworów,• degradację zanieczyszczeń organicznych, w tym usunięcie substancji podatnych na zagniwanie,• ograniczenie uciążliwości zapachowej,• znaczne poprawienie parametrów higienicznych roztworów, poprzez usunięcie organizmów chorobotwórczych oraz pasożytów.Analizując wartości analizowanych parametrów syntetycznej szarej wody po procesie naświetlania średniociśnieniową lampą UV stwierdzono,

że naświetlanie okazało się być najbardziej efektywne w zakresie usuwania barwy roztworu. Nie zaobserwowano natomiast zadowalającego poziomu redukcji pozostałych badanych parametrów (mętności, stężenia ChZT). Przypuszcza się, iż mogło to być wynikiem fotolizy zawartych w roztworze skomplikowanych związków organicznych i powstawaniem prostszych związków organicznych.

Ozonowanie syntetycznej szarej wody przyniosło pozytywny oraz szybki efekt usunięcia barwy roztworu. Stwierdzono, że ozon skutecznie usuwa również anionowe substancje powierzchnio czynne (ASPC). Nie uzyskano zadowalających zmian wartości pozostałych parametrów (mętność, ChZT).

Naświetlanie szarej wody z prania rzeczywistego lampą UV w obecności nadtlenku wodoru spowodowało szybkie i wydajne ograniczenie ładunku ASPC. Zastosowanie tej metody nie dało natomiast znaczących zmian w redukcji mętności oraz barwy. Uzyskany spadek wartości chemicznego zapotrzebowania na tlen nie był zadowalający, gdyż nie otrzymano wartości określonych dla ponownego wykorzystania wody.

Uznano, że zastosowane rozwiązania technologiczne nie są optymalne i powinny być kontynuowane eksperymenty poprawiające ich wydajność. Dalsze eksperymenty powinny być poprzedzone skuteczniejszym oczyszczaniem wstępnym, szczególnie w układach rzeczywistych, gdzie niedostateczne warunki początkowe mogły uniemożliwić wydajne działanie światła w roztworze.

Zastosowanie wybranych procesów fotochemicznych do oczyszczania szarej wody

Dorota GryglikPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Andrzej JodłowskiPolitechnika Łódzka Łódź, [email protected]


114

Słowa kluczowe: szara woda, zużycie wody, oszczędzanie wody

1. WstępWoda wodociągowa o cechach jakości wody do picia nie jest niezbędna w trakcie wykonywania szeregu czynności w gospodarstwach domowych.

Do tej kategorii należy woda zużywana do spłukiwania toalet. Odpowiednie oczyszczenie szarej wody powstającej podczas kąpieli, mycia rąk i prania domowego stwarza możliwość powtórnego jej wykorzystania, a tym samym zmniejszenia zapotrzebowania na wodę wodociągową [1,2].

Celem przeprowadzonych badań było określenie ilości szarej wody powstającej w wybranym gospodarstwie domowym oraz ocena możliwości pokrycia zapotrzebowania na wodę do spłukiwania toalety wodą odzyskaną po uprzednim jej odpowiednim oczyszczeniu. Badania zrealizowano wykorzystując wewnętrzną instalację wodociągowo-kanalizacyjną w czteroosobowym gospodarstwie domowym w budynku jednorodzinnym. Zużytą wodę powstającą podczas użytkowania umywalki z baterią zaopatrzoną w mieszacz z perlatorem, natrysku z baterią mieszającą, hydromasażem i deszczownią oraz odpływ z pralki automatycznej gromadzono i poddawano oczyszczaniu. Odzyskana woda stwarzała możliwość jej wykorzystania do spłukiwania toalety.

Obserwacje i pomiary przeprowadzono w ciągu 6 miesięcy. Badania zostały zrealizowane w dwóch etapach. W pierwszej fazie określono ilość powstającej szarej wody, a w drugiej dokonano oceny możliwości pokrycia zapotrzebowania na wodę do spłukiwania toalety wodą odzyskaną.

2. Metodyka badań2.1. Określenie ilości zużywanej wody i częstotliwości korzystania w przyborów sanitarnych

Objętość szarej wody powstającej podczas użytkowania umywalki, natrysku i pralki automatycznej określono na podstawie pomiaru objętości wody zużytej, gromadzonej w zbiorniku stanowiącym element instalacji odzysku wody. Użytkownicy zapisywali czas i rodzaj wykorzystywanego przyboru sanitarnego, w tym także miski ustępowej, w całym okresie prowadzenia badań, czyli w ciągu 181 dni. Ilość wody zużytej do spłukiwania toalety określono w oparciu o wydatek spłuczki wyposażonej w przycisk dwudzielny.

W oparciu o zebrane dane pomiarowe obliczono częstotliwość wykorzystywania przyborów sanitarnych oraz wskaźniki średniego jednostkowego zużycia wody odniesione do poszczególnych przyborów sanitarnych.

2.2. Instalacja odzysku wodyW skład układu zapewniającego odzysk wody wchodziły: zbiornik do gromadzenia szarej wody, pompa zanurzeniowa typu SWQ 1500H

podająca zebraną ciecz do układu oczyszczającego, układ oczyszczania szarej wody oraz zbiornik wody odzyskanej. Układ oczyszczania szarej wody stanowił zestaw filtracyjny obejmujący filtr siatkowy samopłuczący typu F76S firmy Honeywell, filtr polipropylenowy sznurkowy o wielkości porów 20 μm oraz membrana kapilarna z porami o wielkości 0,02 μm firmy Aquafilter Inc.

System odzysku wody działał periodycznie. Szarą wodę powstającą w ciągu dnia gromadzono w zbiorniku, a następnie w godzinach wieczornych poddawano oczyszczaniu. Szara woda po oczyszczeniu mogła być w następnym dniu wykorzystania do spłukiwania toalety.

3. Wyniki badań i dyskusja3.1. Ocena ilości i struktury szarej wody powstającej w analizowanym gospodarstwie domowym

Na podstawie przeprowadzonej analizy stwierdzono, że jeden użytkownik korzystał z umywalki średnio w ciągu doby 5,28 razy zużywając jednorazowo 0,88 dm3 wody. Natrysk był wykorzystywany średnio co drugi dzień, a ilość zużytej jednorazowo wody wynosiła 33,54 dm3. Pralkę uruchamiano na ogół co 8 dni zużywając jednorazowo średnio 50,5 dm3 wody. Średnia częstotliwość korzystania z toalety w ciągu doby wynosiła 4,13, przy czym stwierdzono że średnie jednostkowe zużycie wody wynosiło 5,25 dm3. Wartości uzyskanych wskaźników zużycia wody były zbliżone do danych zamieszczanych w źródłach literaturowych, chociaż należy zwrócić uwagę na znaczną rozpiętość podawanych wartości, co wynika ze zróżnicowanych warunków korzystania z domowych urządzeń wodociągowych w różnych krajach [3,4].

W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że średnio ponad 53% wody wodociągowej zużywano wykorzystując przybory będące źródłem szarej wody. Szara woda powstawała z niewielkim nadmiarem w stosunku do średniego zapotrzebowania na wodę do spłukiwania toalety (113%).

3.2. Wykorzystanie oczyszczonej szarej wody do spłukiwania toaletyOcenę możliwości pokrycia zapotrzebowania na wodę do spłukiwania toalety wodą odzyskaną z szarej wody przeprowadzono dla dni

roboczych (poniedziałek – piątek) oraz dni wolnych od pracy. W dniach roboczych najwięcej szarej wody powstawało w godzinach wieczornych, kiedy korzystano z pralki i natrysku (po godz. 18:00). Natomiast największe zapotrzebowanie na wodę do spłukiwania toalety obserwowano w godzinach porannych. Stwierdzono więc, że ilość zgromadzonej i oczyszczonej szarej wody mogła pokryć zapotrzebowanie na wodę do spłukiwania toalety w dniu następnym.

Zapotrzebowanie na wodę do spłukiwania toalety w dni wolne od pracy było większe niż w dni robocze i rozłożone na ogół równomiernie w ciągu godzin dziennych. W dni wolne od pracy odnotowywano więc niewielki deficyt szarej wody.

Na podstawie wyników badań fizyczno-chemicznych surowej i oczyszczonej szarej wody stwierdzono, że stopień usuwania ChZT wyniósł średnio 68%, a w odniesieniu do wskaźnika BZT5 uzyskano 94% zmniejszenia. W zastosowanym systemie oczyszczania uzyskano całkowite usuwanie zawiesin i mętności, a barwa uległa zmniejszeniu o 92%. Woda odzyskana spełniała niemieckie wymagania określone dla wody przeznaczonej do spłukiwania toalet.

Ocena możliwości powtórnego wykorzystania szarej wody w gospodarstwie domowym

Andrzej Jodłowski Politechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Maciej DobrzańskiPolitechnika Łódzka Łódź, Polandmaciej.dobrzań[email protected]


115

4. Wnioski1. Największa objętość szarej wody powstawała w wyniku wykorzystywania natrysku i pralki, najmniejsza zaś podczas mycia rąk nad

umywalką.2. Ilość powstającej szarej wody pokrywała zapotrzebowanie na wodę do spłukiwania toalety w dni robocze, natomiast niewielki deficyt

obserwowano w dni wolne od pracy.3. Jakość wody odzyskanej w wyniku zastosowania kaskadowego układu filtracyjnego obejmującego filtr siatkowy samopłuczący, filtr

polipropylenowy sznurkowy oraz membranę kapilarną o porach 0,02 μm spełniała wymagania określone w niemieckich wytycznych dla wody przeznaczonej do spłukiwania toalet.

Literatura[1] MOURAD K.A., BERNDTSSON J.C., BERNDSSON R.: Potential fresh water savings using greywater in toilet flushing in Syria. Jour. Env.

Management. Vol. 92, 2011, pp. 2447-2453. [2] MUTHUKUMARAN S., BASKARAN K., SEXTON N.: Quantification of notable water savings by residential conservation and reuse – A case

study. Resources, Conservation and Recycling. Vol. 55, 2011, pp. 945-952. [3] JAMRAH A., AL-FUTASI A., PRATHAPAR S., AL HARRASI A.: Evaluating greywater reuse potential for sustainable water resources

management in Oman. Env. Monit. Assess. Vol. 137, 2008, pp. 315-327. [4] ANTONOPOULOU G., KIRKOU A., STASINAKIS A.S.: Quantitative and qualitative greywater characterization in Greek households and

investigation of their treatment using physicochemical methods. Sci. Tot. Env. Vol. 454-455, 2013, pp.426-432.


116

Słowa kluczowe: szara woda, filtracja pod stałym ciśnieniem, równanie Ruth’a

1. WprowadzenieW sytuacji ogólnoświatowego deficytu wody zdatnej do picia należy podjąć działania mające na celu ograniczenie zużycia wody w gospodarstwach

domowych. W związku z tym na świecie prowadzone są prace nad technologią powtórnego wykorzystania ścieków, powstających w budynkach. Woda powstająca w czasie kąpieli, czy też prania zwana wodą szarą może być na miejscu oczyszczana i wykorzystywana powtórnie do spłukiwania toalet oraz innych celów takich jak mycie samochodów, mycie podjazdów, podlewanie trawników itp. [1]. Do ponownego wykorzystywania wody szarej służą specjalne instalacje, zwane dualnymi, które z dużą wydajnością są wstanie prowadzić jej skuteczny recykling [2-4]. Korzyści z zastosowania takiej instalacji są ogromne. Przede wszystkim dają dużą oszczędność zasobów wodnych, co pozytywnie wpływa na środowisko. Poza tym instalacja jest źródłem oszczędności dla samego gospodarstwa domowego, gdyż obniża zużycie wody wodociągowej. W przypadku spłukiwania wodą szarą jedynie toalet oszczędności sięgają już ok. 30%. Jeśli w recykling wody szarej zaangażować również wody deszczowe i wykorzystywać je do podlewania trawników, to oszczędności mogą być jeszcze większe.

Problematyka recyklingu wody szarej jest w Polsce mało popularna, jednak w niedalekiej przyszłości powtórne wykorzystywanie wody może stać się niezbędne w każdym gospodarstwie domowym. Nie ulega wątpliwości, że niesie ono za sobą ogromne korzyści, dlatego technologia ta powinna być rozwijana oraz jak najszybciej prawnie unormowana.

2. Cel pracyCelem przeprowadzonych badań było przedstawienie podstawowej charakterystyki procesu filtracji wody szarej (otrzymanej z prania)

na polipropylenowych wkładach filtracyjnych Aquafilter o różnym mikronażu (5 µm, 20 µm). oraz potwierdzenie stosowalności równania Ruth’a do procesu filtracji wody szarej.

2. Filtracja pod stałym ciśnieniemPo odpowiednich przekształceniach ogólnego równania filtracji otrzymuje się następującą jego postać:

Charakterystyka filtracji wody szarej na filtrach polipropylenowych

Jarosław Mucha Politechnika Łódzka Łódź, [email protected]

Jest to równanie Ruth’a [5,6], a współczynniki C i K to współczynniki Ruth’a. Po zróżniczkowaniu równania (6) względem czasu filtracji, uzyskuje się równanie opisujące szybkości filtracji:

Odwrotnością tego równania jest następująca zależność:

Ilustracją równania jest prosta w układzie współrzędnych (jeśli współrzędne te nie są od siebie zbyt odległe i jeżeli ich wartości nie są zbliżone do zera). Czas potrzebny do przefiltrowania filtratu można wyrazić jako:

Proces separacji mechanicznej obejmuje dwie kolejne fazy:• Okres swobodnej filtracji pod stałym ciśnieniem podczas którego formowany jest placek filtracyjny,• Okres zestalania pod stałym ciśnieniem placka. Podczas tej fazy woda związana z poprzednio utworzonego placka jest usuwana przez filtr

w wyniku zmiany objętości wywołanej naprężeniami mechanicznymi.

Zanim narastający placek filtracyjny osiągnie płaszczyznę wylotu, szybkość filtracji może być wyrażona równaniem (8). Jeśli placek filtracyjny zapełni przestrzeń pomiędzy membraną i płaszczyzną wylotu, powierzchnia filtracji ulega zredukowaniu i powyższe równanie musi zostać zmodyfikowane [7,8].


117

4. Wyniki badań oraz wnioskiStosowalność równania Ruth’a do procesu filtracji wody szarej w podjętym zakresie badawczym wskazuje na przebieg procesu według pierwszej

fazy tzn. formowania mokrego placka filtracyjnego [7]. Filtr o mniejszym mikronażu – FCPS 5 wykazuje zarówno wyższy opór przegrody filtracyjnej (stała C) oraz wyższą stałą filtrowania K, związaną z właściwościami osadu, niż filtr o większych porach FCPS 20. Wartości stałych C wynoszą 33,8 [dm3] dla filtra FCPS 5 oraz 18,8 [dm3] dla filtra FCPS 20, a wartości K są równe odpowiednio 37,8 [dm6/min] oraz 20,4 [dm6/min].

Na podstawie danych wartości parametrów K i C obliczono czasy filtracji . Wynoszą one odpowiednio 42,3 min dla filtra FCPS 5 oraz 22,1 min dla filtra FCPS 20. Wyznaczono również opór właściwy osadu oraz opór przegrody filtracyjnej z równania 8 i 9 na podstawie danych

opisujących właściwości wody szarej oraz filtra, a także parametrów K i C. Wynoszą one odpowiednio dla filtra FCPS5: ;

, dla filtra FCPS20: ; .

Zmierzona wydajność filtrów również potwierdza lepsze parametry filtra FCPS 20. W celu pełnego porównania jakości obydwu filtrów uwzględniono parametry związane z właściwościami fizyko – chemicznymi filtratu, co jest przedmiotem analizy w odrębnej publikacji [9]. Na podstawie przeglądu literatury dokonanego w pracy [10] stwierdzono, że procesy fizyczne prowadzone samodzielnie nie są wystarczające, aby zapewnić właściwą redukcję związków organicznych oraz chemicznych (w tym surfaktantów) zawartych w wodzie szarej. Połączenie procesów biologicznych, chemicznych oraz fizycznej filtracji jest najlepszą metodą prowadzącą do właściwego recyklingu wody szarej [10-12].

Literatura[1] J. MUCHA, A. JODŁOWSKI: Ocena możliwości wykorzystania wody szarej. Gaz, Woda i Technika Sanitarna 2010, No. 7-8, pp. 24-27[2] E. NOLDE: Greywater reuse systems for toilet flushing in multi-storey buildings – over ten years experience in Berlin. Urban Water 1999, Vol.

1, pp. 275-284[3] B. JEFFERSON, A. LAINE, S. PARSONS, T. STEPHENSON, S. JUDD: Technologies for domestic wastewater recycling. Urban Water 1999, Vol.

1, pp. 285-292[4] D. CHRISTOVA-BOAL, R. E. EDEN, S. MCFARLANE: An investigation into Greywater reuse for urban residential properties, Desalination

1996, Vol. 106, pp. 391-197[5] R. F. RUTH, G. H. MONTILON, R. E. MONTANNA: Studies in filtration. I Critical analysis of filtration theory, Ind. Eng. Chem. 1933, Vol. 25,

pp. 77-82[6] R. F. RUTH: Correlating filtration theory with industrial practice, Ind. Eng. Chem. 1946, Vol. 38, pp. 564[7] T. W. CHENG, C. Y. HUANG: Filtration characteristics of the rejected – solute layer in dead – end ultrafiltration. J. Membrane Sci. 2002, Vol.

209, pp. 485 – 492[8] R. KONNUR, S. RAHA: Parameter estimation and simulation of dependence of constant pressure batch dewatering on initial solids

concentration. Int. J. Miner Process 2007, Vol. 81, pp. 248-255[9] J. MUCHA: Ocena skuteczności filtracji ścieków szarych z zastosowaniem różnych wkładów filtracyjnych, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, w

druku.[10] F. LI, K. WICHMANN, R. OTTERPOHL: Review of the technological approaches for grey water treatment and reuses. Science of the Total

Environment 2009, Vol. 407, pp. 3439 – 3449[11] E. GHISI, S. MENGOTTI DE OLIVEIRA: Potential for potable water savings by combining the use of rainwater and Greywater in houses in

southern Brazil. Building and Environment, 2007, Vol. 42, pp. 1731-1742[12] E. Eriksson, K. Auffarth, A-M. Eilersen, M. Henze, A. Ledin: Household chemicals and personal care products as sources for xenobiotic organic

compounds in grey wastewater. Water SA 2003, Vol. 29, pp. 135-146


118

Słowa kluczowe: separator wirowy, siła odśrodkowa, sprawność

1. Opis pracy urządzeniaSeparatory wirowe budzą zainteresowanie jako urządzenia do usuwania cząsteczek zawiesiny. Czynnikiem wspomagającym proces sedymentacji

jest w ich przypadku siła odśrodkowa. Jednakże proponowane w literaturze metody ich projektowania budzą zastrzeżenia, w szczególności wynikające z braku racjonalnej i uzasadnionej metody opisu ich charakterystyki hydraulicznej.

W oparciu o wyniki pomiarów laboratoryjnych zaproponowano dla badanego urządzenia dwuwymiarowy model prędkości – prędkość obwodową opisano funkcją niewymierną, zaś dla jej składowej radialnej przyjęto odwrotną proporcjonalność względem promienia. Dysponując uzasadnionym opisem pola prędkości, obliczono rozkład ciśnienia w płynącej cieczy i zbilansowano siły, działające na w separatorze wirowym na zawiesinę [2].

Pozwoliło to na rozwiązanie dokładnej wersji równań ruchu cząstek. Wykonano program komputerowy [1], umożliwiający wyznaczanie trajektorii poszczególnych drobin.

Niezależnie od symulacji, bazujących na pełnych równaniach ruchu, opracowano też syntetyczne kryterium, które może służyć jako zależność projektowa. Wykorzystano w tym celu oczywiste stwierdzenie, że jeżeli siła odśrodkowa Fc w przekroju odpływowym jest większa od sumy sił wymywających cząstkę z urządzenia (siła naporu cieczy Fn oraz dryf poprzeczny F dp), to taka cząstka pozostaje we wnętrzu separatora:

Fc > Fn + Fdp

2. Sprawność separatoraCelem zbadania efektywności urządzenia, zbudowano stanowisko laboratoryjne o cechach obiektu ułamkowo-technicznego. Przyjmując,

że graniczna średnica cząstek usuwanych w separatorze musi wynosić 0,1 mm, dla przyjętych wymiarów stanowiska laboratoryjnego obliczono [3] z warunku (1) minimalny wydatek, generujący odpowiednią wartość siły odśrodkowej, równy 0,23 dm3/s.

Przeprowadzono serię pomiarów testowych, które pozwoliły stwierdzić, że w obiekcie laboratoryjnym usuwane było 78% cząstek o średnicy 0,1 – 0,2 mm oraz 94% cząstek większych niż 0,2 mm. Jest to dobry wynik, potwierdzający obliczenia teoretyczne (tym bardziej, ze wykonano je metoda uproszczona).

Literatura[1] GRONOWSKA M. A., SAWICKI J. M., ZIMA P., „Motion of Suspended Particles in Vortex Separator”, Proc. of 13th Int. Symp. „Water

Management and Hydraulic Engineering”, Sept. 9-12, 2013, Bratislava (Slovakia), pp. 39-40 and CD-ROM.[2] SAWICKI J. M., “Transversal Presuure Effect in Circulative Separators”, AHEEM, Vol. 59, No. 1-2/2012, pp. 3-12.[3] SAWICKI J. M., “Wymiarowanie rotacyjnych separatorów zawiesiny”, Mat. IV Konferencji Naukowej „Mechanika Ośrodków Niejednorodnych”,

9.06.2013, Łagów, pp.61-62.

Działanie i sprawność separatorów wirowychJerzy M. SawickiPolitechnika GdańskaGdańsk, [email protected]

Piotr ZimaPolitechnika GdańskaGdańsk, [email protected]


119

Słowa kluczowe: materiały ilaste, sorpcja zanieczyszczeń, wymiana jonowa

1. WprowadzenieMateriały ilaste, ze względu na ich dostępność oraz duże wartości powierzchni właściwej, stanowią naturalne adsorbenty, mogące znaleźć

zastosowanie przy ograniczaniu emisji zanieczyszczeń do środowiska. Spośród minerałów ilastych na szczególną uwagę zasługuje montmorillonit, charakteryzujący się rekordową wartością powierzchni właściwej oraz ruchomą siecią krystaliczną, które to cechy w istotny sposób determinują jego właściwości sorpcyjne.

2. Materiały2.1. Materiały wyjściowe

Badania dotyczyły iłów naturalnych, zawierających ponad 95% montmorillonitu:1. bentonit STx-1b z Teksasu (USA);2. bentonit SWy-2 z Wyoming (USA); 3. bentonit JP z Jelsovego Potoku (Słowacja).Dwa pierwsze grunty są uznawane za iły modelowe [1], [2]. Dla celów niniejszych badań zostały zakupione w Source Clays Repository

przy The Clay Minerals Society. Ostatni z wymienionych gruntów został pozyskany w Zakładach Górniczo Metalowych „Zębiec” należących do Zębiec S.A., właściciela kopalni w Jelsovym Potoku.

2.2. Materiały modyfikowaneModyfikacja polegała na wprowadzeniu jednego dominującego kationu do kompleksu sorpcyjnego danego iłu, czyli wytworzeniu tzw. form

monojonowych. Rodzaj dominującego kationu wymiennego w istotnym stopniu determinuje właściwości iłu [3], [4], [5]. W celu zapewnienia większej jednorodności materiału badawczego, wymianie jonowej poddawano frakcję <63μm. Struktura każdego z rodzajów bentonitów została zmodyfikowana na skutek wprowadzenia jonów: Ca2+, K+, Na+ (w przypadku bentonitu z Wyoming dodatkowo Fe3+). Sposób przeprowadzania wymiany jonowej w powyższych gruntach był niemal identyczny i nie zależał od rodzaju wprowadzonych kationów. Końcowy rezultat został uzyskany poprzez 3-krotne zalewanie gruntów odpowiednimi chlorkami, a następnie wielokrotne ich opłukiwanie od nadmiaru chloru.

2.3. Rozpuszczalniki organicznePrzeprowadzono analizę sorpcji wobec czterech rozpuszczalników organicznych, charakteryzujących się znaczną toksycznością, a tym samym

stwarzających zagrożenie dla środowiska w przypadku niekontrolowanej emisji oraz – jako materiału referencyjnego – wobec czystej wody. Rozpuszczalniki organiczne stanowiły metanol, toluen, benzen i p-ksylen.

3. Wyniki i analiza3.1. Wpływ rodzaju iłu i kationu wymiennego

Jak pokazano na Rys. 1, zarówno wyjściowy rodzaj iłu jak i dominujący kation wymienny istotnie determinują wartość sorpcji. W przypadku większości rozpuszczalników organicznych wymiana na jon wapniowy spowodowała zdecydowane zwiększenie wartości sorpcji wobec formy wyjściowej. Daje się przy tym zauważyć, że jedynie profil sorpcji metanolu zachowuje pewną analogię względem sorpcji wody, jednak i w tym przypadku zaobserwowano pozytywny wpływ wymiany na kation wapniowy. Fakt ten oznacza, że sorpcja wody nie może

służyć jako uniwersalna charakterystyka właściwości sorpcyjnych materiałów ilastych. W szczególności, powszechnie znany fakt radykalnej redukcji zdolności sorpcji H2O po wymianie na jon potasowy [3] nie znajduje odzwierciedlenia w przypadku sorpcji rozpuszczalników organicznych. We wszystkich trzech iłach forma potasowa dawała większe wartości sorpcji benzenu, toluenu i ksylenu od formy sodowej. Co szczególnie interesujące, w bentonicie z Teksasu (Stx-1b) to właśnie forma potasowa okazała sie najbardziej efektywna w charakterze adsorbentu p-ksylenu. Trwają prace nad próbą wyjaśnienia, które z właściwości form wyjściowych materiałów ilastych (powierzchnia właściwa, odległość d001, granice Atterberga, uziarnienie, typ mikrostruktury, kształt i wielkość porów) determinują ich późniejsze właściwości sorpcyjne po przeprowadzeniu wymiany jonowej.

Wpływ wymiany jonowej w iłach naturalnych na sorpcję rozpuszczalników organicznych

Tomasz KozłowskiPolitechnika Świętokrzyska Kielce, [email protected]

Lidia DąbekPolitechnika Świętokrzyska Kielce, [email protected]

Ewa OziminaPolitechnika Świętokrzyska Kielce, [email protected]


120


3.2. Wnioski• Wymiana jonowa w istotny sposób modyfikuje zdolności sorpcyjne montmorillonitu.• Zdolności sorpcyjne wobec czystej wody nie mogą służyć do wstępnej oceny montmorillonitów jako adsorbentów rozpuszczalników

organicznych.• Największe zdolności sorpcyjne w przypadku wszystkich badanych montmorillonitów obserwowano po wymianie na kation wapniowy

Ca2+.

Literatura[1] BERGAYA F., LAGALY G., “Surface modification of clay minerals”, Applied Clay Science, Vol. 19, 2001, pp. 1-30.[2] MERMUT A. R., CANO A. F., “Baseline studies of the clay minerals society source clays: chemical analyses of major elements”, Clays and Clay

Minerals, Vol. 49, No. 5, 2001, pp. 381-386.[3] STĘPKOWSKA E.T., „Test sorpcyjny i możliwość jego zastosowania w różnych badaniach”, Archiwum Hydrotechniki, Vol. 3, Tom 24, 1977, pp.

411-421.[4] FORESTIER L.L., MULLER F., VILLIERAS F., PELLETIER M. “Textural and hydration properties of a synthetic montmorillonite compared

with a natural Na-exchanged clay analogue”, Applied Clay Science, Vol. 48, No. 1-2, 2010, pp. 18-25.[5] MARCHUK S., RENGASAMY P., CHURCHMAN J., “Cation exchange as influenced by the type of cations in different clay minerals”, Australian

Regolith and Clays Conference, Mildura 7-10, February 2012.

Rys 1. Porównanie zdolności sorpcyjnej montmorillonitów naturalnych i modyfikowanych kationem wymiennym Ca2+, Na+, K+.

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu operacyjnego Innowacyjna Gospodarka

Documents

Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i