Innowacyjne środki
i efektywne metody
poprawy bezpieczeństwa
i trwałości obiektów budowlanych
i infrastruktury transportowej
w strategii zrównoważonego rozwoju
Łódź, 16–18 października 2011
POLITECHNIKA ŁÓDZKA
ul. Żeromskiego 116, 90-924 Łódź
Biuro Projektu
„Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa
i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej
w strategii zrównoważonego rozwoju”
POLITECHNIKA ŁÓDZKA
Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska
Al. Politechniki 6, 90-924 Łódź
EGZEMPLARZ BEZPŁATNY
Słowo wstępne
W styczniu 2010 roku rozpoczęliśmy realizację projektu w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (POIG), pod tytułem: Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej w strategii zrównoważonego rozwoju.
Projekt jest wykonywany przez Konsorcjum 10 uczelni i jednostek naukowo-badawczych. Rolę Lidera
Konsorcjum pełni Politechnika Łódzka.
Te kilkanaście miesięcy, jakie minęły od rozpoczęcia projektu, to tylko około 1/3 czasu przeznaczonego
na jego realizację, ale już teraz musimy przyjrzeć się wynikom i uściślić założenia.
Pod względem merytorycznym projekt jest podzielony na 8 pakietów tematycznych (PT 1 do PT 8). Każdy pakiet jest prowadzony przez Kierownika Pakietu, natomiast poszczególne zadania, ujęte w pakiecie, są
wykonywane przez zespoły badawcze różnych uczelni bądź jednostek naukowo-badawczych.
Ten podział został zachowany w publikacji, którą Państwu przedstawiamy. Streszczenia są opublikowane
w wersjach nadesłanych przez Autorów. Dlatego niektóre z nich są bardzo skrótowe, a inne nieco szersze.
Szczegóły prac Autorzy przedstawią w wystąpieniach konferencyjnych.
Jako Lider Konsorcjum wyrażamy nadzieję, że to pierwsze spotkanie wszystkich wykonawców projektu
pozwoli na wymianę doświadczeń, uściśleniu kierunków dalszych badań i przyczyni się do sukcesu całego
przedsięwzięcia.
Kierownik Projektu
Maria Kamińska
3
Spis treści
O projekcie..............................................................................................................................7
PT 1 Nowoczesne metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności konstrukcji.......................................11
● Badania i obliczenia konstrukcji budowlanych metodami probabilistycznymi ...................................12
Gwóźdź M., Machowski A., Żwirek P.
● Badanie belek żelbetowych wzmocnionych przy użyciu naprężonych laminatów CFRP ..................13
Kotynia R., Lasek K., Staśkiewicz M.
● Określenie rezerw bezpieczeństwa strefy przypodporowej słupów wewnętrznych ustrojów
płytowo­słupowych po jej zniszczeniu przez przebicie............................................................................14
Starosolski W., Pająk Z., Wieczorek B.
● Metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności żelbetowych konstrukcji zespolonych ....................17
Zybura A., Gromysz K., Jaśniok M.
● Procedury w procesie inwestycyjnym rewitalizacji zabytkowych budynków mieszkalnych
i użyteczności publicznej............................................................................................................................19
Terlikowski W., Marecki A.
● Ocena obciążenia śniegiem konstrukcji budowlanych w czasie ich dotychczasowego użytkowania .........21
Żurański J.
● Dane do procedury oceny i zapewnienia komfortu wibracyjnego ludziom przebywającym
w budynkach................................................................................................................................................22
Kawecki J., Stypuła K.
PT 2 Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające
zasady zrównoważonego rozwoju.........................................................................................25
● Nośność i stan wytężenia wypełnionych betonem rur z kompozytu szklano-bazaltowego .................26
Korzeniowski P., Abramski M.
● Modelowanie rys dyskretnych w elementach betonowych.....................................................................28
Bobiński J., Tejchman J.
● Dyskretne modele do symulacji procesu pękania betonu ......................................................................30
Kozicki J., Tejchman J.
Modelowanie elementów betonowych w obszarze dynamicznym .........................................................32
Marzec I., Tejchman J.
● Analiza efektu skali w elementach betonowych ze zbrojeniem .............................................................34
Syroka E., Tejchman J.
● Obliczanie dwuskalowe w elementach betonowych...............................................................................36
Nitka M., Tejchman J.
● Wyznaczanie kompatybilności materiałowych układów złożonych.......................................................37
Garbacz A.
● Badania niezniszczące elementów betonowych poddanych degradacji mechanicznej........................39
Wilde K., Rucka M.
● Ocena niezawodności podstawowych elementów betonowych metodą powierzchni odpowiedzi ...........41
Górski J., Winkelmann K.
● Zastosowanie elementów nieskończonych do diagnostyki ultradźwiękowej masywnych elementów......42
Jasina K.
● Symulacje numeryczne propagacji fal ultradźwiękowych w ujęciu metody
elementów spektralnych .............................................................................................................................45
Chróścielewski J., Witkowski W., Jasina M.
● Włókna bazaltowe jako zbrojenie betonu..................................................................................................47
Moszczyński D., Sowa Ł., Walendziak R., Waśniewski T.
●
4
PT 3 Innowacyjne materiały budowlane i metody ich projektowania w aspekcie
wymaganych cech użytkowych i trwałości ..............................................................................51
● Wpływ temperatury na przebieg procesu hydratacji zaczynów cementowych.....................................52
Gawęda I., Jabłoński M., Gawin D.
●
Kinetyka reakcji AAR - różne modele matematyczne, wpływ temperatury i wilgotności ..................55
Winnicki A., Norys F.
●
Mechaniczno-chemiczny model degradacji żelbetu w warunkach agresywnych .................................56
Zybura A., Krykowski T., Jaśniok T., Słomka-Słupik B., Szweda Z., Jaśniok M.
●
Modelowanie odkształceń wywołanych reakcją alkalia-krzemionka
za pomocą ciśnienia żelu ..................................................................................................................58
Grymin W., Gawin D., Pesavento F.
●
Wpływ wybranych środków napowietrzających na porowatość, wytrzymałość
i mrozoodporność betonu..........................................................................................................................60
Konca P., Koniorczyk M.
PT 4 Recykling materiałów i elementów budowlanych, materiały alternatywne......................................63
●
Betony konstrukcyjne na kruszywach z recyklingu .................................................................................64
Kliszczewicz A.
●
Trwałość mieszanek mineralno-cementowo-emulsyjnych w nawierzchniach drogowych ..................65
Szydło A., Skotnicki Ł., Kuźniewski J.
●
Rodzaj asfaltu a jego parametry spienienia..............................................................................................66
Iwański M., Chomicz-Kowalska A.
●
Wtórne wykorzystanie całych elementów konstrukcyjnych....................................................................67
Brol J.
●
Zastosowanie siatek tekstylnych do zbrojenia elementów betonowych ...........................................68
Węglorz M.
●
Wytrzymałość betonu o wysokim punkcie piaskowym ...........................................................................69
Moszczyński D., Czkwianianc A.
PT 5 Nowatorskie metody inżynierii bezpieczeństwa pożarowego .......................................................71
●
Badanie emisji gazów toksycznych podczas pożaru w pomieszczeniach obudowanych płytami
kartonowo-gipsowymi .................................................................................................................................72
Ościłowska B., Tuśnio N.
●
Wpływ prędkości przepływu mieszaniny powietrzno-dymowej na czułość czujek dymu....................73
Wnęk W., Kubica P., Domżał A.
●
Wpływ wentylacji interwencyjnej na dobór procedur ratowniczych oraz bezpieczeństwo
prowadzenia ewakuacji...............................................................................................................................74
I., Lipiński S., Marciniak A., Adamski A.
●
Zastosowanie modelu strefowego do analizy wpływu środka ogniochronnego materiału
palnego na zmiany środowiska pożaru w układzie dwóch pomieszczeń ..............................................75
Półka M., Konecki M., Tuśnio N., Jaskólski W.
●
Wnioski szczegółowe dla sporządzania wytycznych wynikające z przeglądu i analizy
instrukcji bezpieczeństwa pożarowego ....................................................................................................76
Woliński M., Ogrodnik G.
●
Zasady stosowania inżynierii bezpieczeństwa pożarowego do projektowania systemów
wentylacji pożarowej tuneli drogowych ...................................................................................................77
Sztarbała G., Krajewski G.
PT 6 Innowacyjne metody tworzenia i wykorzystywania komputerowej reprezentacji wiedzy w inżynierii
lądowej, kształtowanie infrastruktury transportowej z uwzględnieniem strategii zrównoważonego
rozwoju .........................................................................................................................79
● Technologie reprezentacji wiedzy i narzędzia ekspertowe w gospodarowaniu
infrastrukturą mostową ..............................................................................................................................80
Banakiewicz A., Bień J., Gładysz M., Kamiński T., Król D., Kużawa M., Rawa P., Znamirowski M.
5
Metody badań cech dynamicznych w diagnostyce obiektów infrastruktury mostowej i kolejowej ....81
Zwolski J., Bień J., Kużawa M., Kamiński T., Krużyński M., Kwiatkowska E.
● Stanowisko badawcze - wyniki badań testowych z wykorzystaniem emisji akustycznej
oraz skanera 3D..........................................................................................................................................82
Trąmpczyński W.
● Nośność nawierzchni drogowych..............................................................................................................83
Szydło A., Mackiewicz P.
● Komputerowe wspomaganie oceny stanu technicznego wysypisk z wykorzystaniem SSN ................84
Lefik M., Krasiński M., Wiśniewska I.
● Zastosowanie SSN-IAC sprzężonej z bazą danych do opisu sieci rzecznej i kanalizacyjnej w Łodzi.....85
Michalska B., Krasiński M., Lefik M.
● Typowe błędy infrastruktury drogowej i możliwości ich eliminacji - analizy wypadków ...................86
Kustra W., Budzyński M., Gaca S.
● Typowe błędy infrastruktury drogowej i możliwości ich eliminacji - identyfikacja
i kierunki działań ........................................................................................................................................88
Gaca S., Kieć M., Michalski L.
●
PT 7 Oszczędność energii i problemy zrównoważonego rozwoju w budownictwie...................................91
● Wybrane metody optymalizacyjne w budownictwie energooszczędnym..............................................92
Węglorz A., Książek M., Żmijewski K.
● Metody oceny budynków użyteczności publicznej z pasywnymi systemami wykorzystania
energii słonecznej pod kątem oszczędności energii oraz komfortu cieplnego i wizualnego ludzi ........94
Nowak H., Nowak Ł., Śliwińska E., Staniec M.
● Metody badań i oceny komfortu akustycznego budynków mieszkalnych.............................................96
Szudrowicz B., Iżewska A.
● Mikroklimat pomieszczeń przy zastosowaniu różnych rozwiązań konstrukcyjno-instalacyjnych .........98
Piotrowski J., Telejko M., Koruba D., Zender-Świercz E.
PT 8 Użytkowanie i ochrona środowiska w strategii zrównoważonego rozwoju ....................................101
● Ograniczanie ładunków zanieczyszczeń zrzucanych przez przelewy burzowe kanalizacji
ogólnospławnej..........................................................................................................................................102
Zawilski M., Brzezińska A., Sakson G.
● Identyfikacja wycieku z wysypiska na podstawie danych z monitoringu ...........................................103
Lefik M., Wiśniewska I., Wojciechowski M.
● Zmniejszenie strat w miejskich systemach dystrybucji wody ..............................................................104
Jodłowski A.
● Podstawy teoretyczne metodyki wymiarowania separatorów wirowych. ............................................106
Sawicki J.
● Zastosowanie termoporometrii DSC w badaniach struktury gruntów ilastych .................................107
Kozłowski T., Walaszczyk Ł.
● Zrównoważone zarządzanie wodami deszczowymi w mieście – kwantyfikacja zagrożeń
i potencjał ekologiczny łódzkich rzek.....................................................................................................109
Stolarska M., Szklarek S., Włodarczyk J., Zalewski M.
6
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 zgodnie z umową o dofinansowanie nr POIG.
01.01.02-10-106/09-00 z późniejszymi aneksami. Realizacja projektu rozpoczęła się 01.01.2010 r.
a zakończenie przewidywane jest 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.
Cele
Celem 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 m.in.:
● 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 transdyscyplinarnego projektu badawczego. Do udziału w projekcie zostaną włączeni studenci i doktoranci, a prowadzone badania naukowe staną się podstawą prac magisterskich (inżynierskich) i doktorskich.
Zakres projektu
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,
●
7
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 rozwóju 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.
●
Pakiety tematyczne
Prace badawczo-rozwojowe są prowadzone w ramach 8 wyodrębnionych Pakietów Tematycznych (PT):
PT 1 Nowoczesne metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności konstrukcji
● PT 2 Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady
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
Projekt spełnia kryterium wsparcia dla dużych multi – i transdyscyplinarnych projektów badawczych.
Równocześnie do udziału w projekcie są włączeni studenci i doktoranci, a prowadzone badania naukowe
stanowią podstawy prac magisterskich (inżynierskich) i doktorskich.
●
Rezultaty
Oczekiwane rezultaty Projektu to:
wdrożenia przemysłowe powstałe w wyniku realizacji strategicznych programów badawczych,
● komercjalizacja wybranych wyników badań B+R, wykonanych w jednostce naukowej,
● utworzenie nowych miejsc pracy (EPC),
● utworzenie nowych etatów badawczych,
● zgłoszenia patentowe jako efekt realizacji przedsięwzięcia,
● publikacje naukowe,
● stopnie naukowe uzyskane przez osoby realizujące projekt,
● wyniki prac badawczych, które zostaną odpłatnie udostępnione (sprzedane) zainteresowanym podmiotom na zasadach rynkowych,
● wyniki prac badawczych, które nieodpłatnie zostaną udostępnione wszystkim zainteresowanym podmiotom (osobom)
●
Konsorcjum
Projekt jest realizowany przez konsorcjum 10 jednostek naukowo-badawczych. Liderem Projektu jest:
1. 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:
2. Politechnika Śląska z siedzibą w Gliwicach, ul. Akademicka 2, 44-100 Gliwice
3. Politechnika Gdańska z siedzibą w Gdańsku, ul. Narutowicza 11/12, 80-952 Gdańsk – Wrzeszcz
4. Politechnika Świętokrzyska z siedzibą w Kielcach, Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce
8
5. Politechnika Krakowska z siedzibą w Krakowie, ul. Warszawska 24, 31-155 Kraków
6. Politechnika Wrocławska z siedzibą we Wrocławiu, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław
7. Politechnika Warszawska z siedzibą w Warszawie, Pl. Politechniki 1, 00-661 Warszawa
8. Szkoła Główna Służby Pożarniczej z siedzibą w Warszawie, ul. Słowackiego 52/54, 01-629 Warszawa
9. Uniwersytet Łódzki z siedzibą w Łodzi, ul. Narutowicza 65, 90-131 Łódź
10. Instytut Techniki Budowlanej z siedzibą w Warszawie, ul. Filtrowa 1, 00-611 Warszawa
9
PT 1
Nowoczesne metody
oceny bezpieczeństwa
i użytkowalności konstrukcji
PT 1. Nowoczesne metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności konstrukcji
Badania i obliczenia konstrukcji
budowlanych metodami probabilistycznymi
Marian Gwóźdź – Politechnika Krakowska, Kraków, [email protected]
Andrzej Machowski – Politechnika Krakowska, Kraków
Paweł Żwirek– Politechnika Krakowska, Kraków, [email protected]
(Streszczenie)
Losowy charakter obciążeń i nośności obiektów budowlanych można wykazać już w prostych badaniach
statystycznych. Przyczyny losowości występującej na każdym etapie procesu budowlanego są albo naturalne,
bądź wynikają z działalności uczestników cyklu inwestycyjnego. Przyczyny naturalne wynikają z właściwości
mechanicznych materiałów budowlanych oraz charakteru działań środowiskowych np. wiatru, śniegu, oblodzenia, temperatury i innych. Przyczyny ludzkie wynikają z różnych uproszczeń modelowych, przybliżonych
metod analizy konstrukcji oraz zróżnicowanych metod realizacji projektów budowlanych. Analiza niezawodności nawet najprostszych obiektów budowlanych, wskazuje na zróżnicowane rodzaje losowości. Konsekwencją losowego charakteru obciążeń, nośności i błędów obliczeń jest dość oczywiste stwierdzenie, że deterministyczne metody analizy niezawodności konstrukcji są niewystarczające. Deterministyczne miary bezpieczeństwa można zastąpić miarami probabilistycznymi, wyprowadzonymi z rozwiązania zagadnień optymalizacyjnych.
Integracja gospodarcza z Unią Europejską spowodowała konieczność dostosowania procedur i standardów, w tym norm projektowania, do jednolitych wymagań europejskich. Stawia to ośrodki i zespoły naukowe w Polsce przed nowymi zadaniami m. in. w zakresie wdrożenia europejskich norm projektowania konstrukcji budowlanych. W roku 1975 Komisja Wspólnoty Europejskiej ustaliła program działań w zakresie budownictwa. Celem programu było usunięcie barier technicznych w handlu pomiędzy krajami wspólnoty i harmonizacja specyfikacji technicznych. W ramach tego programu, najsilniejsze ośrodki badawcze państw
członkowskich UE prowadziły wieloletnie prace nad realizacją eurokodów konstrukcyjnych, oznaczonych
symbolami: EN 1990, EN 1991,... EN 1999. Łącznie opracowano 59 norm, zredagowanych w dziesięciu zakresach tematycznych. Są to normy nowoczesne, zawierające szczegółowe procedury obliczeniowe, adresowane głównie do autorów projektów budowlanych. Polska, tak jak inne kraje Europy Środkowej, w realizacji
programu opracowania eurokodów nie uczestniczyła. Z tego powodu aktualnie występuje w Polsce niedostatek opracowań, weryfikujących w wymiarze regionalnym eurokody (załączniki krajowe PN-EN); brakuje także popularnych podręczników o charakterze komentarzy do eurokodów.
Podjęte badania w ramach pakietu tematycznego T. 1.1 mają przyczynić się do wypełnienia wskazanej wyżej luki w zakresie objętym rekomendacjami eurokodu PN-EN 1990 i eurokodu PN-EN 1993 (łącznie 21
norm), ze szczególnym uwzględnieniem zagadnień niezawodności szkieletów stalowych budynków. Dużo
miejsca w badaniach poświęca się interpretacji i weryfikacji podstawowych zaleceń europejskich w oparciu
o dostępne wyniki krajowych badań statystycznych własnych i obcych w zakresie: cech mechanicznych i geometrycznych materiałów i elementów konstrukcyjnych, imperfekcji stalowych szkieletów, a także wyrywkowo
obciążeń klimatycznych.
Kraków, 29.08.2011.
12
PT 1. Nowoczesne metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności konstrukcji
Badanie belek żelbetowych wzmocnionych
przy użyciu naprężonych laminatów CFRP
Renata Kotynia – Poltechnika Łódzka, Łódź, [email protected]
Krzysztof Lasek – Poltechnika Łódzka, Łódź, [email protected]
Michał Staśkiewicz – Poltechnika Łódzka, Łódź, [email protected]
Celem badań przeprowadzonych w Laboratorium Badawczym Katedry Budownictwa Betonowego była
analiza efektywności wzmocnienia belek żelbetowych przy użyciu naprężonych laminatów z włókien węglowych. Analizowano wpływ zastosowania zaprawy klejowej do zespolenia taśmy z powierzchnią betonu oraz
wpływ wstępnego wytężenia belek przed wzmocnieniem na efekt wzmocnienia zarówno w stanie granicznym
użytkowalności, jak i nośności. W tym celu część belek wzmacniano pod ciężarem własnym, który stanowił
około 25% nośności belki nie wzmocnionej, a pozostałe elementy wzmacniano pod utrzymywanym w sposób
stały obciążeniem, odpowiadającym około 75% wytężeniu. Pozostałe parametry zmienne to: stopień naprężenia taśmy CFRP, obecność zaprawy klejowej lub jej brak oraz sposób kotwienia końców taśmy na spodniej
powierzchni belek. Badania obejmują 3 jednoprzęsłowe, podparte przegubowo belki żelbetowe o przekroju
500×220 mm i rozpiętości 6000 mm w osiach podpór. Belki wzmocnione były pojedynczą taśmą CFRP naprężoną i zakotwioną przy pomocy systemu S&P, składającego się z siłownika hydraulicznego oraz stalowych
blach kotwiących. Jedną belkę wzmocniono taśmą bez kotwienia jej końców za pomocą mechanicznych kotew stalowych, na końcowych odcinkach taśmy wykonano jednostopniową gradację siły naprężającej do zera, co oznacza, że te fragmenty taśmy przyklejono w sposób bierny.
Badania wykazały wysoką efektywność wzmocnienia żelbetowych belek wzmocnionych czynnie wahającą się od 1,9 do 2,2 nośności elementu nie wzmocnionego, podczas gdy przy wzmocnieniu biernym stopień
wzmocnienia wynosi od 1,4 do 1,6 nośności belki żelbetowej (przy odkształceniach kompozytu w chwili odspojenia od 5‰ do 7‰).
Na ogół powodem zniszczenia wzmocnionych belek była utrata przyczepności miedzy kompozytem i betonem postępująca od środkowej części elementu w kierunku podpór.
Wzmacnianie zginanych elementów żelbetowych przy użyciu naprężonych taśm kompozytowych typu
CFRP jest bardzo skuteczne zarówno w stanie granicznym nośności, jak i użytkowalności, zwłaszcza gdy elementy wzmacniane są silnie obciążone przed wzmocnieniem. Możliwe jest znaczące ograniczenie odkształceń i ugięć wzmacnianego elementu oraz znaczne zwiększenie jego sztywności.
13
PT 1. Nowoczesne metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności konstrukcji
Określenie rezerw bezpieczeństwa strefy przypodporowej
słupów wewnętrznych ustrojów płytowo-słupowych
po jej zniszczeniu przez przebicie
Włodzimierz Starosolski – Politechnika Śląska, Gliwice, [email protected]
Zbigniew Pająk – Politechnika Śląska , Gliwice, [email protected]
Barbara Wieczorek – Politechnika Śląska, Gliwice, [email protected]
1. Inspiracja
W świetle dotychczasowych badań, dość dobrze poznane są własności mechaniczne oraz praca statyczna
betonu i zbrojenia w strefie przypodporowej ustrojów płytowo-słupowych, dla których opracowane są metody
obliczeń i zasady projektowania. Praca tego typu stref konstrukcji w zakresie obciążeń bliskich obciążeniom
niszczącym wymaga jednak precyzyjnego zrozumienia z uwagi na konsekwencje dla bezpieczeństwa tego
rodzaju struktur.
Zniszczenie strefy podporowej ustrojów płytowo-słupowych przez przebicie powoduje, że w trakcie
opadania stropu odrywane jest ku górze zbrojenie górne znajdujące się nad rzutem słupa. Jedynymi
elementami zdolnymi powstrzymywać rozwój katastrofy jest zbrojenie dolne, które nie jest odrywane a
przeciwnie dociskane do betonu słupa i płyty.
Dla umożliwienia opracowania procedur obliczeniowych umożliwiających prawidłową ocenę wartości
zapasów nośności strefy podporowej po zniszczeniu przez przebicie, przeprowadzone zostaną badania
żelbetowych modeli połączenia płyta-słup w skali naturalnej. Badania te dodatkowo pozwolą na
wnioskowanie, kiedy i jakie zbrojenie dolne prowadzone w strefie podporowej jest w stanie zatrzymać dalszy
rozwój jej zniszczenia po przebiciu.
2. Realizacja
W ramach dotychczasowych prac przygotowano projekt rozbudowy stanowiska badawczego celem
dostosowania jego parametrów do wymogów planowanych badań (rys.1). Projekt zrealizowano i
przeprowadzono badania testowego modelu połączenia płyta-słup. W kontekście przeprowadzonych badań i
otrzymanych wyników opracowano program dalszych badań w zakresie, których analizowane będą różne
położenia słupa względem środka płyty (rys.4) - usytuowanie osiowe (model I), na mimośrodzie
jednokierunkowym (model II) oraz mimośrodzie dwukierunkowym (model III). Opracowano i wdrożono
dalsze modyfikacje stanowiska badawczego, których celem było zapewnienie pionowego prowadzenia
wypychanego słupa niezależnie od niesymetrycznie działających sił.
Rys. 1. Widok stanowiska badawczego
14
PT 1. Nowoczesne metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności konstrukcji
W zakresie prowadzonych badań przyjęto jednakowe parametry dla wszystkich modeli. Każdy model składa się z kwadratowej płyty żelbetowej o wymiarach 2650×2650×200 mm i słupa o przekroju 400×400 mm
i wysokości 500 mm (rys. 3). 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 (εµk>7) wg EC 2 o średnicy φ16 mm.
Rys.2. Schemat obciążania modeli
Rys. 3. Widok modelu badawczego
Obciążenie modeli realizowano poprzez siłę skupioną przykładaną do podstawy słupa, według schematu
przedstawionego na rysunku 2. Płytę mocowano za pomocą śrub do stanowiska przytwierdzonego do płyty
wielkich sił (rys. 2). Dolne zbrojenie krzyżujące się nad słupem wypuszczone zostało poza obrys modelu i zakotwione w specjalnym uchwycie przymocowanym do wzmocnionego stanowiska badawczego. Podstawowym parametrem zmiennym różniącym modele jest umiejscowienie słupa (rys. 4), a w konsekwencji miejsce
przyłożenia wymuszonego obciążenia.
Rys. 4. Modele płyt żelbetowych: a) model I - słup osiowo,
b) model II - słup mimośrodowo w jednym kierunku,
c) model III - słup mimośrodowo w dwóch kierunkach
Modele zaprojektowano tak, aby w pierwszej kolejności nastąpiło ich przebicie, a płyta nie uległa zniszczeniu giętemu. Zbrojenie na zginanie wyznaczono jak dla rzeczywistej konstrukcji płytowo-słupowej o siatce słupów 6×6 m z dodatkowym obciążeniem eksploatacyjnym równym 5 kN/m2. Zbrojenie krzyżujące się
nad słupem zaprojektowano do przeniesienia dwukrotnej siły powodującej przebicie.
W trakcie badań mierzono w sposób automatyczny ugięcia linii środkowych górnych powierzchni płyt
oraz dokonywano pomiaru przemieszczeń słupa w funkcji wywieranej siły. Dodatkowo dokonywano inwentaryzacji zarysowań górnej powierzchni płyty. Po skończonym badaniu, strefy przysłupowe rozkuto i dokonano oględzin krzyżujących się nad słupem prętów zbrojeniowych wykonując pomiary kątów pochylenia i promieni zagięcia prętów.
Wykonane pomiary pozwoliły na określenie zależności pomiędzy przyłożonym obciążeniem, a przemieszczeniem słupa oraz analizę deformacji górnej powierzchni płyty w czasie z uwzględnieniem wartości si-
15
PT 1. Nowoczesne metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności konstrukcji
ły. Wyznaczono wartość siły w chwili przebicia oraz wartość siły, przy której nastąpiło zerwanie prętów krzyżujących się nad słupem.
3. Planowane rezultaty
Na podstawie wykonanych i planowanych dalszych badań oraz przeprowadzonych analiz obliczeniowych
zostanie zaproponowany w analizowanym zakresie techniczny model obliczeniowy, który stanowić będzie
podstawę proponowanych procedur diagnostycznych do określenia nośności stref podporowych słupów wewnętrznych w monolitycznych ustrojach płytowo-słupowych po przebiciu.
Ocena faktu istnienia rezerw nośności lub jej braku po zniszczeniu strefy podporowej przez przebicie pozwoli na ocenę bezpieczeństwa konstrukcji eksploatowanych, a także uszkodzonych w skutek błędów projektowych, przeciążenia lub innych czynników.
16
PT 1. Nowoczesne metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności konstrukcji
Metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności
żelbetowych konstrukcji zespolonych
Adam Zybura – Politechnika Śląska, Gliwice, [email protected]
Krzysztof Gromysz – Politechnika Śląska, Gliwice, [email protected]
Mariusz Jaśniok – Politechnika Śląska, Gliwice, [email protected]
1. Wprowadzenie i zakres badań
Bezpieczeństwo żelbetowych konstrukcji zespolonych zależy głównie od zdolności przenoszenia naprężeń
stycznych w zespoleniu dwóch betonów oraz od korozyjnego stanu zbrojenia. Wstępne badania laboratoryjne wskazały [1, 2], że zdolność przenoszenia naprężeń stycznych może być oceniana na podstawie badania
parametrów dynamicznych konstrukcji zespolonych, a korozyjny stan zbrojenia w oparciu o elektrochemiczne pomiary szybkości korozji zbrojenia.
Badanie zdolności przenoszenia naprężeń stycznych w zespoleniu dwóch betonów sprowadzi się do porównania parametrów drgań konstrukcji uzyskanych w wyniku badań doświadczalnych konstrukcji rzeczywistych z wynikami rozwiązań modelu matematycznego. Z kolei ocena korozyjnego stanu zbrojenia będzie polegała na analizie wyników badań polaryzacyjnych stało i zmiennoprądowych przeprowadzonych metodą pomiaru oporu polaryzacji (LPR) i metodą elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS), według opracowanego elektrycznego modelu układu stal-beton.
Budowany model matematyczny konstrukcji zespolonej, uwzględniający stan zespolenia dwóch warstw betonu oraz występowanie rys pionowych od zginania i wytężenie zbrojenia, jest opisywany nieliniowymi równaniami różniczkowymi. W celu opisu silnie nieliniowych elementów tego modelu prowadzone są badania statyczne płyt zespolonych oraz badania drgań swobodnych tych konstrukcji. Z kolei właściwości modelu zbliżone do liniowych są wyznaczane przy pomocy doświadczalnej analizy modalnej, która bazuje na założeniu stałej sztywności i tłumienia konstrukcji Badania są prowadzone na fragmentach stropów zespolonych w skali naturalnej i obejmą stropy znajdujące się w różnym stanie technicznym. Żądany stan techniczny konstrukcji jest
wymuszany w sposób kontrolowany przykładanym obciążeniem statycznym. Struktura budowanego w ten sposób modelu matematycznego odpowiada rzeczywistym żelbetowym konstrukcjom zespolonym.
Szybkość korozji zbrojenia określa się podczas laboratoryjnych badań polaryzacyjnych stało i zmiennoprądowych (LPR i EIS) na zbrojonych betonowych elementach próbnych o zróżnicowanym układzie wkładek, a także na elementach mechanicznie zarysowanych. W celu wywołania korozji zbrojenia elementy próbne są poddane oddziaływaniu agresywnych czynników środowiskowych. W ramach badań największy nacisk
jest położony na prawidłową identyfikację zasięgów prądów polaryzacyjnych na zbrojeniu, co stanowi podstawę miarodajnego określenia szybkości korozji, umożliwiającej bezpośrednią ocenę trwałości konstrukcji.
Zakończenie prac scharakteryzowanych powyżej 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 badań
W ramach realizacji projektu przeprowadzono zarówno prace teoretyczne jak i badania doświadczalne.
Ponadto dokonano planowanych zakupów oprogramowania oraz specjalistycznego wyposażenia.
W ramach części dotyczącej oceny zespolenia prowadzono prace w trzech obszarach. Pierwszy koncentrował się na ustaleniu kryteriów utraty nośności przez zespolenie, drugi dotyczył budowy modelu zespolenia
dwóch betonów, a trzeci koncentrował się na kalibracji modelu. Bazując na wstępnych wynikach badań płyt
poddanych obciążeniom statycznym zdefiniowano sprężysty model konstrukcji zespolonej, który sprowadza
się do liniowego równania różniczkowego trzeciego rzędu względem czasu i wykorzystuje definicje dwóch ciał
reologicznych: Kelvina – Voighta do opisu właściwości żelbetu i Maxwella do opisu właściwości zespolenia.
Model ten został wykalibrowany na podstawie analizy modalnej. Nieliniowe właściwości warstwy kontaktowej
zostały uwzględnione przez zastąpienie stałych współczynników w równaniach różniczkowych funkcjami.
Zmiennymi tych funkcji jest amplituda drgań, ponieważ jak ustalono, ten parametr odpowiada za nieliniowe
właściwości płyt. Ponadto wykazano eksperymentalnie, że im większą nieliniowością cechuje się zespolenie
17
PT 1. Nowoczesne metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności konstrukcji
tym mniejszą wykazuje ono zdolność do przenoszenia naprężeń stycznych. Przeprowadzone badania doświadczalne i teoretyczne wskazują, że najskuteczniejszą metodą badania tych nieliniowości jest określanie zmian
tłumienia płyt przy gasnących drganiach swobodnych. W drganiach tych bowiem zmienia się amplituda,
a wraz z nią uwidaczniają parametry nieliniowe. Prace polegające na wyznaczeniu tłumienia drgań oraz parametrów statycznych i dynamicznych prowadzono z wykorzystaniem zakupionych programów LMS Test Lab
Modal i LMS Test. Xpress Envelope. Rezultaty prac bieżąco przedstawiano w publikacjach [6, 7].
Aktualnie trwają prace polegające na kalibracji modelu tłumienia drgań oraz budowane są procedury badań pozwalające określać stan zespolenia.
W ramach części zadania dotyczącej diagnostyki korozyjnej zbrojenia w pierwszym etapie dokonano podsumowania aktualnego stanu wiedzy dotyczącego diagnostyki i monitoringu obiektów żelbetowych – por. [3,
4]. Następnie zaprojektowano i wykonano betonowe elementy próbne zbrojone pojedynczymi prętami
o zróżnicowanych średnicach i grubościach otulin. Testowano optymalne warunki prowadzenia badań polaryzacyjnych zbrojenia w betonie, przy użyciu zróżnicowanych powierzchni przeciwelektrod. Wykonano badania elektrochemiczne wpływu, na kształt widma impedancyjnego pojedynczego pręta zbrojeniowego w betonie, geometrii układu pomiarowego (szerokości przeciwelektrody i długości pręta). Równolegle były prowadzone prace nad modelem układu stal-beton do badań korozji zbrojenia metodą elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS). Model uwzględniając elektrochemiczne charakterystyki objętościowe betonu
otuliny oraz elektrodowe prętów zbrojeniowych będzie umożliwiał również symulację wpływu geometrii badanego układu stal-beton. Opisany efekt uzyskano dzięki równoległemu łączeniu tzw. elementarnych schematów zastępczych oraz wprowadzaniu elektrochemicznych charakterystyk stali i betonu przeliczanych przez
współczynniki przestrzennej geometrii układu. Pierwsze wyniki badań impedancyjnych zbrojenia o zróżnicowanej długości w betonie wraz z modelem układu stal-beton wyjaśniającym obserwowane zjawisko zaprezentowano w pracy [5].
3. Osiągnięte cele, wyniki, rezultaty
Zrealizowano pierwszy kamień milowy polegający na opracowaniu modelu konstrukcyjnego tłumienia
drgań żelbetowych elementów zespolonych z uwzględnieniem tłumienia w powierzchni zespolenia i rysach
pionowych. Praca nad tym modelem polegała na syntezie, w badaniach statycznych, cech sprężystych i niesprężystych połączenia warstw dwóch betonów. Następnie, bazując na opisie fenomenologicznym cechy te
zostały uwzględnione w modelu tłumienia drgań.
W trakcie realizacji są prace związane z drugim kamieniem milowym (IV kw. 2011 r.), którego celem jest
wykonanie badań laboratoryjnych szybkości korozji zbrojenia oraz parametrów tłumienia drgań i sztywności
żelbetowych elementów zespolonych.
Literatura:
[1] GROMYSZ K. Badanie sztywności zespolenia warstw betonu żelbetowych stropów deskowych. 56 Konferencja Naukowa KILiW PAN i KN
PZITB. Kielce–Krynica, 19–24 września 2010, s. 529-537.
[2] GROMYSZ K.: Równoważenie sił podłużnego ścinania w zespoleniu żelbetowych stropów obciążonych statycznie, Inżynieria i Budownictwo,
nr 3, 2010, s. 141–147.
[3] ZYBURA A., JAŚNIOK M., JAŚNIOK T.: Ocena trwałości i monitoring obiektów żelbetowych, 56 Konferencja Naukowa KILiW PAN
i KN PZITB, Kielce–Krynica, 19–24 wrzesień 2010, t. 1 – część problemowa, s. 399-414.
[4] ZYBURA A., JAŚNIOK M., JAŚNIOK T.: O trwałości, diagnostyce i obserwacji konstrukcji żelbetowych, Inżynieria i Budownictwo, nr 10,
2010, s. 519-525.
[5] JAŚNIOK M.: Examining and Modelling the Influance of Lenghts of Rebars in Concrete to Shapes of Impedance Spectra, European Symposium on Polymers in Sustainable Construction, Czarnecki Sympsium, September 6–7th, 2011, Warsaw, pp. 99–100, PDF version
– pp. 226–233.
[6] GROMYSZ K.: Dissipative forces in joint surface of composite steel reinforced cencrete floors. 7th International Conference Analytical Models and New Concepts in Concrete and Masonry Structures AMCM 2011, June 13–15, 2011 Kraków, s. 199–200 oraz materiały na CD.
[7] GROMYSZ K: Model tarcia wewnętrznego w poziomym zespoleniu żelbetowych płyt. Zeszyty naukowe Politechniki Rzeszowskiej nr 276,
Budownictwo i Inżynieria Środowiska z 58 (3/11/II), s. 127-134.
18
PT 1. Nowoczesne metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności konstrukcji
Procedury w procesie inwestycyjnym rewitalizacji
zabytkowych budynków mieszkalnych i użyteczności
publicznej
Wojciech Terlikowski – Politechnika Warszawska, Warszawa, [email protected]
Andrzej Marecki – Politechnika Warszawska, Warszawa, [email protected]
1. Proces inwestycyjny rewitalizacji budynków zabytkowych
Cel i przedmiot badań
Celem badań prowadzonych przez autorów referatu było opracowanie jasnych procedur w procesie inwestycyjnym rewitalizacji zabytkowych budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej. Procedury te są konieczne, do stworzenia jednoznacznych, eksperckich algorytmów postępowania i zasad diagnozowania, projektowania, napraw, wzmocnień i modernizacji zabytkowych budynków, w odniesieniu do kształtowania ich
nowej formy i funkcji, możliwych do zaadaptowania przez istniejący układ konstrukcyjny.
Specyfika działań rewitalizacyjnych zabytkowych budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej
Realizacja rewitalizacji budynku zabytkowego, związana często z jego nowym programem funkcjonalno-użytkowym, dostosowanym do współczesnych wymagań i obowiązujących przepisów, wymaga rozwiązania
licznych problemów konstrukcyjno – architektonicznych, praktycznie we wszystkich częściach rehabilitowanego budynku. Skala działań konstrukcyjnych i technologicznych, wynika również z programu konserwatorskiego, który podporządkowuje zabiegi i działania budowlane, mające na celu dostosowanie obiektu do nowych funkcji użytkowych, z działaniami zachowawczo-zabezpieczającymi, wzmacniającymi, konserwacyjnymi, nienaruszającymi substancji historycznej. Dokumentacja konserwatorska stanowi podstawę do opracowania programu prac konserwatorskich, w tym również robót budowlanych, który obligatoryjnie wymagany
jest przy wydawaniu pozwolenia na prowadzenie prac przy zabytkach wpisanych do rejestru. Zakres prac
zwiazanych z opracowaniem programu konserwatorskiego jest indywidualnie przyjmowany i wynika z rangi
obiektu – przyjętej formy ochrony ustawowej, jego wieku, materiałów użytych do budowy, stanu degradacji
budowli, wniosków z diagnostyki, planowanego programu użytkowego oraz postulatów konserwatorskich.
Uzgodniony program konserwatorski poparty wnioskami z pomiarów inwentaryzacyjnych i analizy historyczno – architektonicznej, powinien określić dozwolone techniki budowlane, dopuszczalny zakres zmian konstrukcyjnych oraz wskazać dozwolone materiały budowlane w procesie rehabilitacji.
Budowlane zadanie rehabilitacyjne, będące częścią rewitalizacji, jest jednocześnie zamierzeniem ekonomicznym, którego celem jest programowe wykorzystanie wartości historycznej, zabytkowego obiektu mieszkalnego lub użyteczności publicznej, jako wartości dodanej, wyróżniającej lub promującej na rynku nieruchomości produkt planowanej inwestycji. Ten subiektywny, intuicyjny czynnik, wpływający na wartość rynkową,
odgrywa znaczącą rolę w ukierunkowaniu zamierzeń inwestycyjnych. Racjonalne wyeksponowanie i wykorzystanie atrakcyjnych cech budowlanego produktu finalnego, wynikających z jego wartości historyczno – zabytkowych, wymaga uwzględnienia w procesie projektowo-budowlanym: substancji materialnej (kubaturowej), wartości historycznej i funkcji użytkowej.
Współczesne projekty obligatoryjnie podlegają unijnym wymaganiom funkcjonalnym i technicznym i bezwzględnie muszą spełniać postulaty dotyczące obsługi osób niepełnosprawnych oraz zagwarantować bezpieczeństwo konstrukcji i jej użytkowania, a także m. in. bezpieczeństwo pożarowe.
Badania zabytkowych budynków i zalecenia konserwatorskie
Badania budynków zabytkowych i ich diagnozowanie są zajęciami złożonymi, interdyscyplinarnymi, indywidualnie dopasowanymi do konkretnych obiektów, zależnymi od wielu czynników oddziaływujących na te
obiekty obecnie i w czasie historii procesów ich projektowania, realizacji budowy i użytkowania. Postępowanie diagnostyczne jest istotna częścią badań budynku zabytkowego, których efektem, w połączeniu z realizacją ustaleń konserwatorskich, jest realizacja programu rewitalizacji tego zabytku. Zakres i charakter badań
19
PT 1. Nowoczesne metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności konstrukcji
zabytkowych obiektów budowlanych, w tym będących przedmiotem niniejszego opracowania zabytkowych
budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej wynika ze stanu zachowania obiektu oraz programu inwestorskiego. W wyniku szczegółowej diagnostyki obiektu zabytkowego określony zostaje stan techniczny zabytkowych budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej. Wynikają z tego szczegółowe wskazania dotyczące zakresu rehabilitacji konstrukcji budynków – napraw, wzmocnień, zmian konstrukcyjnych i innych zabiegów technicznych, które są niezbędne do zapewnienia konstrukcji wymaganej trwałości i nośności, dla zagwarantowania bezpiecznej eksploatacji obiektu w warunkach określonych przez przyjęty i uzgodniony program użytkowo – funkcjonalny.
2. Procedury w procesie inwestycyjnym rewitalizacji budynków zabytkowych
Proces rewitalizacji budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej pod względem strukturalnym jest
budowlanym procesem inwestycyjnym, w którym odnajdujemy sprecyzowane obszary działań inwestora, projektanta, wykonawcy i administracji (urząd konserwatorski, urząd nadzoru budowlanego itp.). Sprawna realizacja rewitalizacyjnego zadania inwestycyjnego powinna przebiegać zgodnie z systemem sieci powiązań
przedstawionych na poniższym schemacie.
Literatura:
[1] Prawo Budowlane, Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r., tekst jednolity Dz. U. 2006 r. Nr 156, poz. 1118 z późniejszymi zmianami;
[2] Ustawa z dnia 23 lipca 2003 r. o ochronie zabytków i opiece nad zabytkami, Dz. U. 2003, Nr 162, poz. 1568 z późniejszymi zmianami;
[3] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, Dz. U. Nr 75, poz. 690 z późniejszymi zmianami;
[4] KIETLIŃSKI W., J. JANKOWSKA, C. WOŹNIAK, „Proces inwestycyjny w budownictwie”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2007 r.;
[5] Rozporządzenie Ministra Kultury z dnia 9 czerwca 2004 r. w sprawie prowadzenia prac konserwatorskich, restauratorskich, robót budowlanych, badań konserwatorskich i architektonicznych, a także innych działań przy zabytku wpisanym do rejestru zabytków oraz badań archeologicznych i poszukiwań ukrytych lub porzuconych zabytków ruchomych, Dz. U. z dnia 30 czerwca 2004 r.
20
PT 1. Nowoczesne metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności konstrukcji
Ocena obciążenia śniegiem konstrukcji budowlanych
w czasie ich dotychczasowego użytkowania
Jerzy Żurański – Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa, [email protected]
1. Wprowadzenie
Rozpatruje się diagnozowaną konstrukcję, która była od pewnego czasu użytkowana i będzie użytkowana
w przyszłości. Ocena ekstremalnych wartości obciążenia śniegiem musi obejmować, z jednej strony, historię
obciążeń, którym konstrukcja była dotychczas poddana, a zwłaszcza obciążeń ekstremalnych, a także ocenę
obciążenia, które wystąpiło w czasie jej ewentualnej awarii, jeżeli była. Z drugiej strony musi zawierać
prognozę obciążeń na czas jej dalszej eksploatacji. W przypadku diagnozy eksploatacyjnej powinna ona
zawierać:
● ustalenie wartości obciążeń śniegiem przyjętych w obliczeniach projektowych diagnozowanej konstrukcji
● ustalenie wartości obciążeń ekstremalnych, którym konstrukcja była poddana w czasie jej dotychczasowego użytkowania
● prognozowane wartości obciążeń ekstremalnych, którym może być poddana w dalszym, przewidywanym
czasie użytkowania.
Diagnoza powypadkowa (poawaryjna) wchodzi w zakres diagnozy eksploatacyjnej jednak powinna być
wykonana w szerszym ujęciu. Dotyczy to zwłaszcza obciążenia wiatrem. W niniejszym streszczeniu są poruszone zagadnienia oceny obciążenia śniegiem.
2. Obciążenie śniegiem konstrukcji w dotychczasowym czasie jej użytkowania
Do analizy obciążenia konstrukcji, które wystąpiło w czasie jej użytkowania w przeszłości, konieczna jest
najpierw analiza wartości obciążenia śniegiem gruntu, zarejestrowanych w pobliżu rozpatrywanej konstrukcji w ciągu całego czasu jej użytkowania. Po ustaleni1u zimy, podczas której wystąpiło ekstremalne obciążenie śniegiem, należy rozpatrzeć szczegółowo przebieg zjawisk meteorologicznych w ciągu tej zimy. Do tych
zjawisk, mających wpływ na kształtowanie się pokrywy śnieżne na dachu, należą przede wszystkim: dobowa
suma opadu, prędkość i kierunek wiatru oraz temperatura powietrza, a także przenikanie ciepła przez dach.
Korzystając z tych danych, zarejestrowanych przez najbliższą stację meteorologiczną, lub kilka, jeżeli są
w pobliżu rozpatrywanej konstrukcji, należy ustalić, jaki mógł być rozkład śniegu na dachu wówczas, gdy pochodzące od niego obciążenie było największe. Istotne znaczenie ma tu znajomość przebiegu ciężaru pokrywy śnieżnej na gruncie. Przykłady takich przebiegów są podane w pracy [1].
Zgodnie z normą ISO [2], jeżeli mimo wystąpienia ekstremalnego obciążenia, przewyższającego wartości przyjęte w obliczeniach projektowych, konstrukcja nie wykazuje żadnych oznak znaczących uszkodzeń,
pogorszenia lub degradacji i wykazuje zdolność funkcjonowania to może być dopuszczona do dalszej eksploatacji. Wówczas należy dokonać obliczeń sprawdzających z uwzględnieniem najnowszych postanowień normowych oraz wyników analiz danych pomiarowych obciążenia śniegiem gruntu z najbliższej stacji.
W referacie przedstawiono przykład takiej oceny obciążenia śniegiem.
Literatura:
[1] ŻURAŃSKI J. A., Sobolewski A.: Obciążenie śniegiem w Polsce. Prace Naukowe Instytutu Techniki Budowlanej, Monografie. Warszawa
2009
[2] ISO 13822: 2001 Bases for design of structures – Assessment of existing structures.
21
PT 1. Nowoczesne metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności konstrukcji
Dane do procedury oceny
i zapewnienia komfortu wibracyjnego
ludziom przebywającym w budynkach
Janusz Kawecki – Politechnika Krakowska, Kraków, [email protected]
Krzysztof Stypuła – Politechnika Krakowska, Kraków, [email protected]
1. Cel realizacji tematu
Zasadniczym celem realizacji tematu jest opracowanie i zweryfikowanie metodyki oceny i zapewnienia
wymaganego komfortu wibracyjnego ludziom przebywającym w budynkach i odbierającym drgania w sposób
bierny. Coraz częściej w otoczeniu istniejących budynków już występują albo projektuje się źródła drgań. Ich
eksploatacja generuje drgania przekazywane przez podłoże na fundamenty budynków stanowiąc ich wymuszenie kinematyczne. Ludzie przebywający w budynkach narażeni są wówczas na działania dynamiczne. Problemem podjętym w opisywanym temacie jest opracowanie procedur oceny i zapewnienia komfortu wibracyjnego ludziom przebywającym w budynkach, którzy odbierają drgania w sposób bierny nie mając bezpośredniego wpływu na źródło drgań.
Rozwiązaniem problemu będzie:
● wybranie spośród znanych kryteriów oceny wpływu drgań takich, które będą wiarygodnie opisywać wymagania odnośnie do zapewnienia ludziom niezbędnego komfortu,
● zweryfikowanie tych kryteriów podczas pomiarów dynamicznych In situ,
● opracowanie praktycznie przydatnych procedur oceny komfortu wibracyjnego (zadanie diagnostyki),
● podanie zasad dobierania odpowiednich środków technicznych prowadzących do redukcji drgań.
2. Dotychczasowe efekty realizacji tematu
Badania kryteriów oceny komfortu wibracyjnego
Ocenę wpływu drgań na ludzi w budynkach przeprowadza się na podstawie wartości parametrów określonych w normie [1]. Już wcześniej autorzy wykazali, że spośród dwóch podanych tam metod godna rekomendacji w pracach diagnostycznych i projektowych jest metoda oparta na pomiarze widma wartości skutecznej
(RMS) przyspieszenia (lub prędkości) drgań w pasmach 1/3 oktawowych. Jest ona zgodna z rekomendowaną w normie ISO [2]. Umożliwia ona wskazanie przedziału częstotliwości, w którym naruszone są wymagania odnośnie do zapewnienia ludziom niezbędnego komfortu wibracyjnego i ułatwia wybór środków technicznych, które mają doprowadzić do potrzebnej redukcji drgań odbieranych przez człowieka w budynku.
Kryteria stosuje się porównując wartości parametrów charakteryzujących drgania wyznaczone na podstawie analizy wyników pomiarów z wartościami zapewniającymi wymagany komfort wibracyjny. Przy wyznaczaniu wartości odpowiadających zapewnieniu niezbędnego komfortu wibracyjnego należy uwzględniać wpływ
czynników, na które człowiek odbierający drgania jest wrażliwy. Na podstawie studiów literatury i norm za najważniejsze uznano:
● przeznaczenie pomieszczenia w budynku,
● porę występowania drgań,
● charakter drgań i powtarzalność,
● kierunek działania drgań i pozycję ciała człowieka podczas odbioru drgań.
Trzeba też odnotować, że w ocenie wpływu drgań na ludzi w budynku przedstawiana jest również metoda,
w której parametrem oceny jest tzw. dawka wibracji (VDV). Opisano ją zarówno w [2] jak i w [3]. Brak jest
jednak porównania rezultatów ocen uzyskanych z zastosowaniem tych metod. Takie porównania w odniesieniu do wyników pomiarów pozyskanych na obiektach w skali naturalnej przeprowadza się w ramach realizacji
tematu badawczego.
Rozpatrywane źródła drgań
W ujęciu systemowym problem można ująć za pomocą następujących elementów: źródło drgań – droga propagacji drgań – obiekt odbierający drgania. W rozpatrywanym przypadku źródłem drgań są wpływy pochodzenia komunikacyjnego, obiektem odbierającym drgania jest człowiek w budynku, drogę propagacji drgań wyznaczają:
podłoże między źródłem drgań a budynkiem i budynek. Intensywność drgań wywołanych wpływami komunikacyjnymi i przekazywanych na ludzi w budynkach zależy od wielu czynników, które analizowano i za istotne uznano:
22
PT 1. Nowoczesne metody oceny bezpieczeństwa i użytkowalności konstrukcji
w źródle drgań: stan pojazdu i stan drogi (kołowej albo szynowej), w szczególności odnosi się to do typu pojazdu i jego prędkości poruszania się, konstrukcji drogi i stanu jej nawierzchni,
● na drodze propagacji drgań: rodzaj podłoża między drogą a budynkiem, odległość budynku od drogi, konstrukcja budynku, jego posadowienie i stan techniczny i wreszcie konstrukcja stropu pomieszczenia, w którym przebywa człowiek,
● w odniesieniu do odbiornika drgań: przeznaczenie pomieszczenia, sposób przekazania drgań na człowieka, porę doby, charakter drgań i pasmo częstotliwości odpowiadające dominującym drganiom.
Na każdy z wymienionych trzech elementów można oddziaływać w celu spełnienia wymagań odnośnie do zapewnienia niezbędnego komfortu wibracyjnego ludziom przebywającym w budynku.
Wszystkie te czynniki brane są pod uwagę w analizach dotyczących oceny wpływu drgań na ludzi w budynkach.
●
Pozyskiwanie informacji o drganiach
Jeśli źródło drgań jest eksploatowane, to niezbędne informacje o parametrach tych drgań można uzyskać na
podstawie odpowiednio zrealizowanych pomiarów drgań. Uwzględniając wymagania w zakresie pomiarów dynamicznych zapisane w [1] oraz doświadczenie zebrane podczas badań prowadzonych przez autorów można podać, iż dane do analizy związanej z oceną wpływu drgań na ludzi pozyskuje się w zależności od stanu, w jakim
znajduje się budynek.
Jeśli budynek jest już zrealizowany, to wykonuje się pomiar drgań w wybranych punktach budynku (w tym:
na fundamencie albo ścianie piwnicznej w poziomie terenu, od strony źródła drgań), oraz w miejscach odbioru
tych drgań przez ludzi. Pomiar należy wykonać w takich warunkach eksploatacji źródła drgań, aby zapewnić pozyskanie informacji o parametrach drgań najniekorzystniejszych dla oceny wpływu drgań. Tak zebrane wyniki pomiarów opracowuje się, aby można było zastosować je w przyjętych kryteriach oceny.
Jeśli budynek jeszcze nie został zrealizowany, to wykonuje się pomiary drgań w miejscu ich odbioru przez projektowany budynek, w różnych warunkach eksploatacji źródła drgań. Na tej podstawie wyznacza się parametry
wymuszenia kinematycznego projektowanego budynku. Na podstawie projektu technicznego budynku opracowuje się jego model obliczeniowy. Model ten poddaje się wyznaczonemu wcześniej wymuszeniu kinematycznemu i w wyniku obliczeń wyznacza się przyspieszenia w budynku, w miejscach odbioru drgań przez ludzi. Tak zebrane wyniki uzyskane na podstawie pomiarów i obliczeń opracowuje się, aby można było zastosować je w przyjętych kryteriach oceny.
Jeśli zaś źródło drgań jest projektowane, to niezbędne informacje o parametrach drgań przekazywanych na
ludzi w budynku uzyskuje się na podstawie prognozy. Najczęściej wyznaczenie prognozowanych wartości parametrów drgań wymaga dysponowania zbiorem wielu wiarygodnych wyników pomiarów przeprowadzonych w warunkach zbliżonych do objętych diagnozą. Zbiór taki stanowi bazę danych pomiarowych (BDP). Od obszerności tej bazy oraz precyzji identyfikowania odpowiednich parametrów opisu zależy w dużym stopniu wiarygodność
diagnozy. Ważnym elementem oceny jest w tych sytuacjach weryfikacja modelu budynku. Można ją przeprowadzić dysponując wynikami pomiarów tzw. tła dynamicznego. Jest to przedmiotem oddzielnych analiz przeprowadzonych podczas realizacji tematu badawczego.
3. Podsumowanie
Podane wyżej informacje zweryfikowano podczas wielu pomiarów na obiektach w skali naturalnej. Wyniki odpowiednich analiz umożliwiły ocenienie przydatności przyjętych kryteriów oceny zapewnienia ludziom w budynkach istniejących i projektowanych niezbędnego komfortu wibracyjnego. Na tej podstawie opracowywana jest
procedura w odniesieniu do rozwiązywania zadania diagnostyki i zadania projektowania budynków, w których
spełnione będą wymagania odnośnie do zapewnienia ludziom w budynkach niezbędnego komfortu wibracyjnego. To zaś wiąże się z spełnieniem warunków użytkowalności pomieszczeń w zakresie dynamiki.
Literatura:
[10] PN-88/B-02171: Ocena wpływu drgań na ludzi w budynkach.
[11] ISO 10137, Bases for design of structures – Serviceability of buildings and walkways against vibration, 2007
[12] BS 6472-1: 2008, Guide to evaluation of human exposure to vibration in buildings, Part 1: Vibration sources other than blasting, 2008, British
Standard.
23
PT 2
Zaawansowane metody
projektowania konstrukcji
ze względu na trwałość,
uwzględniające zasady
zrównoważonego rozwoju
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
Nośność i stan wytężenia wypełnionych betonem
rur z kompozytu szklano-bazaltowego
Piotr Korzeniowski – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]
Marcin Abramski – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]
1. Wstęp
Konstrukcje z betonu powszechnie zbroi się stalą zbrojeniową w postaci wiotkich prętów, drutów lub siatek. Dobrze znane są zarówno zalety jak i wady tego typu zbrojenia. Do najważniejszych zalet należy zaliczyć bardzo dobrą współpracę z betonem, łatwość kształtowania i umiarkowaną cenę. Główną wadą jest mała odporność na korozje, która powoduje w warunkach agresywnych różnego rodzaju uszkodzenia, często zagrażające bezpieczeństwu konstrukcji, zawsze zaś wymagające trudnych i kosztownych napraw.
W ostatnim czasie alternatywą dla stali zbrojeniowej stało się zbrojenie FRP (Fiber Reinforced Polymer)
– będące tworzywem z jednokierunkowo ułożonych włókien węglowych, aramidowych lub szklanych, a ostatnio również bazaltowych zatopionych w żywicy polimerowej. Dzięki swoim niemagnetycznym właściwościom, odporności na korozję, malej masie, dużej wytrzymałości na rozciąganie i zmęczenie (zależnej od rodzaju włókien), zbrojenie kompozytowe może okazać się konkurencyjne w porównaniu z tradycyjnie stosowanymi prętami stalowymi. Pręty z włókien szklanych, aramidowych czy bazaltowych charakteryzują się też
małą przewodnością termiczną i elektryczną.
Pręty kompozytowe wykazują sprężysto-liniową charakterystykę wytrzymałościową w całym zakresie obciążeń. Stosunkowo mało znane są wyroby z włókien bazaltowych. Zbrojenie bazaltowe odznacza się bardzo
wysoką odpornością na rozciąganie i ściskanie, do trzech razy większym niż w przypadku stali, przy tym odznacza się niską wagą, jest o cztery razy lżejsze niż zbrojenie stalowe. Ze względu na małą odporność ogniową żywicy, nie zaleca się stosowania zbrojenia kompozytowego w konstrukcjach wymagających wysokiej odporności ogniowej. Pręty te stosuje się głównie w otwartych obiektach inżynierskich, w których niebezpieczeństwo narażenia na bezpośredni wpływ ognia jest znikome. Graniczną temperaturę Tg (zależną od rodzaju żywicy), powyżej której dochodzi do zmian w strukturze molekularnej żywicy, określa się w przedziale od
65 do 120°C.
Konstrukcje betonowe zbrojone lub uzwojone elementami kompozytowymi realizowane są we współczesnym budownictwie stosunkowo rzadko. Mimo, że materiały kompozytowe wykonywane przy użyciu włókien
węgłowych, szklanych, aramidowych czy bazaltowych znane i stosowane są w technice od kilkudziesięciu lat,
ich ceny pozostają jednak wciąż znacznie wyższe od cen stali. Dlatego zbrojenie kompozytowe konstrukcji
betonowych nie może konkurować w powszechności zastosowań ze zbrojeniem stalowym.
Istnieją jednak dziedziny budownictwa, gdzie zalety materiałów kompozytowych, przede wszystkim ich
wysoka odporność korozyjna, mogą decydować o ich zastosowaniu, mimo wysokiego kosztu [1]. Przykładem
może być budownictwo morskie, gdzie elementy nabrzeży tradycyjnie wykonywane z rur stalowych wypełnianych betonem, można zastąpić rurami kompozytowymi wypełnianymi betonem. Podobnie elementy wsporcze konstrukcji wszelkich instalacji chemicznych, gdzie stal podlegałaby przyśpieszonej korozji można realizować w takiej technologii.
2. Badania eksperymentalne
Program badań
W niniejszej pracy autorzy skupili się na zastosowaniu materiałów kompozytowych, w postaci rur wykonanych z włókien szklanych i bazaltowych zespojonych w matrycy winyloestrowej, do słupów z betonu.
Przebadano eksperymentalnie osiem słupów wykonanych z rur o średnicy wewnętrznej 200 mm, grubości
ścianki 6 mm i wysokości 1000 mm oraz 2000 mm. Sześć słupów zostało wykonanych w postaci rur w całości wypełnionych betonem o wytrzymałości fcm=76 MPa, a dwie rury przebadano jako puste. Cztery słupy poddano osiowemu ściskaniu do zniszczenia, dwa zaś mimośrodowemu ściskaniu w taki sposób, że siła została przyłożona w obu końcach słupa na krawędzi rdzenia przekroju. We wszystkich przypadkach
podparcie zrealizowano jako obustronnie przegubowe. Badanie odbywało się przy stałej prędkości piono-
26
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
wego przemieszczenia przesuwnego węzła słupa. Część słupów obciążano wyłącznie przez betonowy rdzeń
przekroju, a część przez cały przekrój. Rejestrowano tensometrycznie odkształcenia podłużne i obwodowe
rury. Ze zniszczonych pustych rur wycięto, poza strefą zniszczenia, próbki do określenia modułu sprężystości rury.
Wyniki badań
Rury puste niszczyły się w sposób gwałtowny, podczas gdy rury wypełnione betonem zachowywały wysoką nośność przez długi czas po osiągnięciu maksymalnej siły ściskającej, a przy stale wzrastającym ugięciu słupa spowodowanego jego wyboczeniem. Do momentu wyboczenia ściskane słupy wykazywały dużą
sprężystość, dopiero po wyboczeniu materiał wyraźnie się uplastyczniał. Dzięki temu można było łatwo
uchwycić moment wyboczenia. Mechanizm zniszczenia wszystkich wypełnionych betonem rur był bardzo
łagodny. Wszystkie badane rury wypełnione betonem utrzymywały przez bardzo długi czas wysoką wartość siły w obszarze pokrytycznym. W przeprowadzonych badaniach eksperymentalnych nośność osiowo
ściskanych słupów obciążanych przez cały przekrój była o 3% do 4% większa niż w przypadku słupów obciążanych przez betonowy rdzeń [2]. Odnotowano znikome różnice pomiędzy nośnościami słupów smukłych (λ =41) i krępych (λ =22).
Pomiary tensometryczne kompozytowego płaszcza słupa wykazały skrócenia (ściskanie) w kierunku
podłużnym oraz wydłużenia (rozciąganie) w kierunku obwodowym. Odkształcenia rozciągające były przez
cały okres obciążania słupa około trzykrotnie mniejsze co do wartości bezwzględnej niż odkształcenia ściskające.
3. Porównanie uzyskanych wyników z obliczeniami według Eurokodu 4
Wyniki uzyskane na drodze eksperymentalnej zweryfikowano obliczeniami inżynierskimi. Ponieważ nie
istnieje krajowa czy europejska norma obliczeń betonowo-kompozytowych konstrukcji zespolonych, posłużono się normą Eurokod­4 [2] dotyczącą stalowo-betonowych konstrukcji zespolonych. W celu poznania podstawowych charakterystyk materiałowych użytego w badaniach kompozytu szklano-bazaltowego przebadano
eksperymentalnie próbki rur i wyznaczono wytrzymałość na ściskanie oraz moduł sprężystości. Z racji oczywistych różnic materiałowych między stalą konstrukcyjną a zastosowanym kompozytem uzyskane wyniki obliczeń należy potraktować jako wstępne. Zgodność wyników eksperymentu z wynikami obliczeń okazała się
nadspodziewanie dobra i wynosiła od -5% do +13%.
4. Kierunki dalszych badań
Niska populacja przebadanych słupów nie pozwala uznać za ostateczne wniosków uzyskanych w badaniach. W dalszym etapie badań przewiduje się eksperymenty z elementami mimośrodowo ściskanymi oraz
wykonanymi z rur kompozytowych produkowanych wyłącznie z włókien bazaltowych.
5. Inne badania konstrukcji betonowych z nie stalowym zbrojeniem
Poza słupami w postaci rur wypełnionych betonem prowadzone są aktualnie badania płyt zbrojonych
prętami bazaltowymi oraz belek zbrojonych taśmami węglowymi. Częściowe wyniki badań tych elementów
zostaną przedstawione w czasie prezentacji.
Literatura:
[1] FAM A. Z., RIZKALLA S. H.: Behavior of Axially Loaded Concrete-Filled Circular Fiber-Reinforced Polymer Tubes. ACI Structural Journal, 5–6/2001.
[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, 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.
27
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
Modelowanie rys dyskretnych w elementach betonowych
Jerzy Bobiński – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]
Jacek Tejchman – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]
1. Wprowadzenie
Symulacja tworzenia się i propagacji rys w elementach betonowych wymaga stosowania zaawansowanych
metod numerycznych. Na początku w obszarze krytycznym zależnym od przyłożonego obciążenia powstaje
wiele mikro-rys, które tworzą dyskretną makro-rysę w późniejszym etapie.
Istnieją dwa podstawowe podejścia stosowane do symulacji rys. Pierwsze podejście opiera się na podejściu ciagłym, które opisuje rozwój rysy także po powstaniu makro-rysy. Stosuje się wówczas prawa konstytutywne sprężysto-plastyczne lub bazujące na założeniach mechaniki uszkodzeń. Można także łączyć oba te
sformułowania. W obszarze post-krytycznym powyższe prawa materiałowe uwzględniają osłabienie, co wymaga włączenia długości charakterystycznej mikrostruktury dla poprawnego sformułowania zagadnienia
brzegowego. Można to osiągnąć stosując teorię mikropolarną, nielokalną lub dodając tłumienie.
Alternatywą jest opisanie rysy za pomocą skoku pola przemieszczenia (z pominięciem fazy mikro-rys).
Najstarsze sformułowania wykorzystują elementy interfejsowe wzdłuż krawędzi elementów skończonych.
Nowsze idee pozwalają na umiejscawianie rys wewnątrz elementów stosując nieciągłości zagnieżdżone lub
metodę XFEM. Ta ostatnia technika dodaje globalne stopnie swobody do opisu skoków pola przemieszczenia. Początkowo została zastosowana do symulacji ewolucji rys w materiałach idealnie kruchych [1], a następnie zaadaptowaną ją do modelowania materiałów kohezyjnych [2].
2. eXtended Finite Element Method
Metoda XFEM jest rozszerzeniem standardowej Metody Elementów Skończonych. Do opisu elementu
zarysowanego stosuje się podejście kontynualne ze skokiem przemieszczenia wzdłuż rysy. W kontinuum (niezarysowanym) przyjmuje się liniowo-sprężyste prawo materiałowe. Możliwość wydłużenia istniejącej rysy
(lub powstania nowej) warunkuje kryterium aktywacji rysy, przyjmowane w najprostszym przypadku, jako
warunek Rankine'a (maksymalne główne naprężenie rozciągające większe od wytrzymałości na rozciąganie).
Osłabienie materiału opisuje kohezyjne prawo osłabienia zdefiniowane w punktach materialnych wzdłuż rysy wiążące skok przemieszczenia z siłami tarciowymi. W dotychczasowych symulacjach zdefiniowano osłabienie (liniowe lub wykładnicze) jedynie w kierunku normalnym do rysy z liniowo-sprężystym prawem w kierunku stycznym. Dużo większe zmiany są konieczne w ogólnym algorytmie numerycznym metody. Musi on
mieć możliwość dynamicznego dodawania nowych stopni swobody w modelu oraz definiowania dodatkowych warunków brzegowych dla nich. Zazwyczaj zakłada się, że wierzchołek rysy może się znajdować tylko
na krawędziach elementów skończonych. W chwili zarysowania elementu skończonego konieczna jest zmiana schematu całkowania w takim elemencie. Wydłużenie rysy może nastąpić tylko po osiągnięciu zbieżności.
3. Symulacje numeryczne
Pierwotnie zaproponowany algorytm XFEM został zaimplementowany do programu Plaxis w celu symulacji zachowania się stref ścinania w gruntach [3]. Ten sam algorytm (z niewielkimi modyfikacjami) został zaimplementowany także w programie Abaqus/Standard i wykorzystany do symulacji numerycznych rys w elementach betonowych. Dla sprawdzenia niezależności otrzymywanych wyników od stosowanej siatki elementów skończonych, przeprowadzono testy jednoosiowego rozciągania i trzypunktowego zginania. Uzyskane wykresy siła – przemieszczenie (Rys. 1) wskazują na poprawność działania algorytmu.
28
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
a)
b)
Rys. 1: Obliczone wykresy siła – przemieszczenie dla różnych siatek MES w jednoosiowym rozciąganiu (a)
i trzypunktowym zginaniu (b)
Wykonano także symulację mieszanego testu Nooru-Mohameda [4]. Test ten polegał 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 5 lub 10 kN oraz rozciągania
siłą pionową z utrzymywaniem stałej wartości siły poziomej. Uzyskano zbliżone mapy rys w porównaniu
z wynikami eksperymentalnymi (Rys. 2).
a)
b)
Rys. 2. Mapy obliczonych rys w doświadczeniu Nooru-Mohameda [4] dla siły ścinającej 5 kN (a) i 10 kN (b)
Literatura:
[16] BELYTSCHKO T. and BLACK T., Elastic crack growth in finite elements with minimal remeshing, International Journal for Numerical
Methods in Engineering, 45 (5), 1999, pp. 601–620.
[17] WELLS G. N. and SLUYS L. J. A new method for modelling cohesive cracks using finite elements”, International Journal for Numerical
Methods in Engineering, 50 (12), 2001, pp. 2667–2682.
[18] BOBIŃSKI J. and BRINKGREVE R. B. J. Objective determination of failure mechanisms in geomechanics, STW DCB. 6368 Report, TU
Delft, 2010.
[19] NOORU-MOHAMED M. B. Mixed mode fracture of concrete: an experimental research, PhD Thesis, TU Delft, 1992.
29
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
Dyskretne modele do symulacji procesu pękania betonu
Jan Kozicki – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]
Jacek Tejchman – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]
1. Wstęp
Dwa różne dyskretne modele numeryczne zostały zastosowane do symulacji procesu pękania w betonie na poziomie mikro. Zastosowano model siatkowy do opisu rys w fibrobetonie [1], [2] oraz model
DEM (Discrete Element Method) do opisu rys w betonie.
Model siatkowy [1]–[3] składa się z odkształcalnych wzdłużnie prętów połączonych sprężynami kątowymi, które symulują wszystkie fazy fibrobetonu. Pręty posiadają różne parametry w zależności od fazy.
Wszystkie stalowe włókna w betonie są jawnie zamodelowane. Przeprowadzono trójwymiarowe symulacje badające wpływ stalowych włókien na zachowanie się fibrobetonu poddanego jednoosiowemu rozciąganiu. Wykonano obszerne analizy parametryczne. Wpływ objętości i średnicy kruszywa oraz ilość włókien został realistycznie odtworzony w symulacjach potwierdzając wyniki doświadczalne [3].
W metodzie elementów dyskretnych [4], [5] materiał jest reprezentowany, jako zbiór kul lub gron złożonych z kul oddziaływających wzajemnie na siebie zgodnie z prawem Newtona. W prezentowanym podejściu zastosowano tzw. miękkie elementy, w których deformacje kulek są modelowane, jako wzajemne
nachodzenie się na siebie. Zachowanie się dynamiczne całego systemu jest rozwiązywane metodą Lagrange'a, w którym oblicza się położenie i prędkości każdego z elementów dyskretnych. Siły normalne i styczne pomiędzy elementami są zgodnie z prawem Coulomba. W początkowych obliczeniach dyskretnych
zbadano wpływ kształtu kruszywa podczas jednorodnego ściskania trójosiowego.
2. Dyskretne wyniki numeryczne
Rysunek 1 przedstawia wyniki jednoosiowego rozciągania w modelu siatkowym dla sześciennej próbki fibrobetonowej zawierającej 1.5% stalowych prostych włókien w porównaniu ze zwykłym betonem oraz
rozkład włókien i kruszywa w próbce.
A)
B)
Rys. 1: Model siatkowy: A) Obliczone krzywe naprężenie-odkształcenie dla próbki 5×5×5 cm3 podczas jednoosiowego rozciągania:
a) zwykły beton, b) fibrobeton 1.5% (? 22 – pionowe naprężenie normalne,? 22 -pionowe odkształcenie normalne); B) rozkład włókien i kruszywa w próbce
Wraz ze wzrostem objętości stalowych włókien, wzrasta wytrzymałość i ciągliwość betonu. Skuteczność
fibrobetonu jest większa, jeżeli włókna są rozmieszczone prostopadle do kierunku rys. Dyskretny model siatkowy, pomimo prostoty jest w stanie poprawnie symulować proces pękania elementu betonowego i fibro-betonowego. Mimo przyjęcia prawa czysto sprężysto-kruchego na poziomie mikro, uzyskano efekt globalnego
osłabienia [3].
30
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
Rysunki 2 i 3 przedstawiają z kolei wyniki symulacji jednorodnego trójosiowego ściskania z różnymi
kształtami kruszywa. Kształt kruszywa ma ogromny wpływ na odpowiedź systemu. Kształt obliczonych krzywych naprężenie-odkształcenie jest podobny do krzywych doświadczalnych dla zagęszczonego piasku.
W procesie odkształcenia, w stanie sprężystym cała energia zewnętrzna jest zamieniona w energię sprężystą.
W stanie rezydualnym, cała zewnętrzna energia zamienia sie w plastyczne odkształcenie.
Rys. 2. Wpływ kształtu kruszywa na krzywą naprężenie-odkształcenie w próbce podczas jednorodnego trójosiowego ściskania
Rys. 3. Obliczona ewolucja: a) przyrostu zewnętrznej energii, b) przyrostu energii sprężystej oraz c) przyrostu plastycznej dysypacji
podczas jednorodnego ściskania trójosiowego dla zagęszczonych gron kruszywa
Literatura:
[1] TEJCHMAN J., KOZICKI J., Modelling of fracture processes in concrete using a novel lattice model, Granular Matter, 10, 5, 2008,
pp. 399–405.
[2] TEJCHMAN J., KOZICKI J., Effect of steel fibres on concrete behavior in 2D and 3D simulations using lattice model, Archives of Mechanics, 62, 6, 2010, pp. 1–28.
[3] TEJCHMAN J., KOZICKI J., Experimental and theoretical investigations of steel-fibrous concrete. Springer, Berlin-Heidelberg (eds. W. Wu
and R. I. Borja), 2010.
[4] KOZICKI J., DONZE F. V., A new open-source software developed for numerical simulations using discrete modelling methods, Computer
Methods in Applied Mechanics and Engineering, 197, 2008, pp. 4429–4443.
[5] WIDULINSKI L., TEJCHMAN J., KOZICKI J., LESNIEWSKA D., Discrete simulations of shear zone patterning in sand in earth pressure problems of a retaining wall, Int. J. Solids and Structures, 48, 7–8, 2011, pp. 1191–1209.
31
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
Modelowanie elementów betonowych
w obszarze dynamicznym
Ireneusz Marzec – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]
Jacek Tejchman – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]
1. Wstęp
Beton jest materiałem kruchym, którego zachowanie jest silnie nieliniowe w zakresie dużych odkształceń.
Właściwości betonu, całkowicie odmienne w ściskaniu i rozciąganiu, zależą bardzo silnie od prędkości odkształceń. Wzrost wytrzymałości na rozciąganie dla dużych prędkości obciążenia jest znacznie większy niż
przy ściskaniu. Dla małych i średnich prędkości o zniszczeniu decydują lepkie właściwości betonu wskutek
obecności wody w strukturze, natomiast w przypadku dużych prędkości decydująca głównie siły bezwładności. Celem prowadzonych badań jest zbudowanie modelu numerycznego do opisu zachowania elementów betonowych oraz betonowych zbrojonych w szerokim zakresie prędkości obciążeń.
2. Modele konstytutywne betonu
Model do quasi-statycznych obciążeń cyklicznych
W pierwszym etapie badań sformułowano model betonu oparty na połączeniu sprężysto-plastyczności
z degradacją sztywności [1], [2]. W obszarze sprężysto-plastycznym wykorzystano kryteria Druckera-Pragera oraz Rankine'a zdefiniowane w przestrzeni naprężeń efektywnych. W sformułowania wykorzystano degradację sztywności w oparciu o teorię równoważności odkształceń z 2 funkcjami odrębnymi dla ściskania i rozciągania dla jednej definicji odkształceń efektywnych. Dodatkowo do modelu wprowadzono funkcje skalujące uwzględniające interakcji efektów degradacji sztywności w ściskaniu i rozciąganiu. W celu uniezależnienia
wyników MES od zastosowanej siatki elementów skończonych model wzbogacono o długość charakterystyczną mikrostruktury materiału. W rezultacie zbudowany model pozwala na symulowanie zniszczenia elementów betonowych w złożonych stanach naprężeń (rozciąganie, ściskanie, ścinanie) a także na symulowanie deterministycznego efektu skali. Model zweryfikowano w oparciu o dostępne w literaturze badania doświadczalne. Wyniki charakteryzowały się dobrą zgodnością z danymi doświadczalnymi. Model poprawnie
odzwierciedla nośność elementów betonowych i żelbetowych, zachowanie w obszarze osłabienia oraz rozwój
degradacji sztywności w ściskaniu i rozciąganiu. Realistycznie symulowane są także strefy lokalizacji. Do zalet zaimplementowanego modelu zaliczyć można także zdolność do symulowania efektu "odzyskiwania
sztywności" oraz możliwość kontrolowania wpływu degradacji w ściskaniu na degradację w rozciąganiu i odwrotnie. Ilość parametrów materiałowych zapewnia elastyczne sterowanie krzywą w obszarze osłabienia.
Model do obciążeń dynamicznych
Na bazie sformułowania przedstawionego prowadzone są obecnie prace nad modelem do symulacji dynamicznych. Zastosowano w sprężysto-plastyczności sformułowanie lepkie typu Duvaut-Lions, w którym do
opisu materiału w przyjęto kryterium Druckera-Pragera oraz Rankine'a. Sformułowanie uwzględnia trzy podstawowe stany charakteryzujące wpływ prędkości obciążanie na zmiany właściwości mechanicznych betonu:
pełzanie, wpływ prędkości na rozwój mikro-rys [3] oraz siły bezwładności.
Wyniki obliczeń wstępnych modelem sprężysto-plastycznym z uwzględnieniem sił bezwładności dla próbek rozciąganych z prędkością od 500 do 10000 mm/s pokazano na Rys. 1. Wyniki porównano z obliczeniami MES Ozbolta [4] oraz doświadczeniami Ruiza [5]. Aktualne prowadzone są prace polegające na rozszerzeniu modelu o lepkość w celu lepszego symulowania zachowania się betonu pod obciążeniem dynamicznym.
32
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
a)
b)
Rys. 1: Wyniki obliczeń dynamicznych MES dla betonowych próbek rozciąganych: a) geometria próbki i obraz lokalizacji dla prędkości obciążenia 1000 mm/s, b) zależność nośność-prędkość obciążenia
3. Wnioski
Prowadzone badania mają istotne znaczenie dla określenia trwałości betonu ze szczególnym uwzględnieniem cyklicznych obciążeń dynamicznych i ich wpływu na nośność i niezawodność konstrukcji betonowych
i betonowych ze zbrojeniem. Sformułowany model materiałowy znajdzie zastosowanie do analiz konstrukcji
inżynierskich wymagających uwzględnienia efektów zmęczeniowych w obszarze przed- i pokrytycznym.
Literatura:
[1] MARZEC I., TEJCHMAN J., Application of enhanced elasto-plastic damage models to concrete under quasi-static and dynamic cyclic loading, Proceeding of Euro-C 2010, 15–18, March, 2010, Rohrmoos/Schladming, pp. 529–536.
[2] MARZEC I., TEJCHMAN J., Application of enhanced coupled elasto-plastic-damage model to cyclic concrete behavior, Proceeding of CMM
2011, 9–12, May, 2011, Warszawa, pp. 69–70.
[3] BAZANT Z. P., CANER F. C., ADLEY M. D., Fracturing rate effect and creep in microplane model for dynamics, Journal of Engineering
Mechanics ASCE, Vol. 126, No. 9, 2004, pp. 962-970.
[4] OZBOLT J., Behaviour and modelling of concrete at high loading rates, Proceeding of Computational Technologies in Concrete Structures (CTCS'09), May 24-27, 2009, Jeju, pp. 124–134.
[5] ZHANG X. X., RUIZ R., YU R. C., TARIFA M., Fracture behaviour of high-strength concrete at a wide range of loading rates, International Journal of Impact Engineering 36, 2009, pp. 1204–1209.
33
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
Analiza efektu skali
w elementach betonowych ze zbrojeniem
Ewelina Syroka – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]
Jacek Tejchman – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]
1. Wprowadzenie
Zjawisko efektu skali występujące w materiałach quasi-kruchych takich jak beton, ceramika, szkło, lód i itp.
Jest ono ściśle związane z rozwojem mikrorys w strukturze materiału, które lokalizują się w tzw. strefie pękania
poprzedzającej rozwój makrorysy [1]. Wielkość strefy pękania, w której zachodzi redystrybucja naprężeń, jest definiowana za pomocą tzw. długości charakterystycznej lc odzwierciedlającej niejednorodną strukturę betonu.
Wielkość lc jest parametrem materiałowym, tym samym rozmiar strefy pękania jest niezależny od charakterystycznego wymiaru elementu konstrukcyjnego D. Przy malejącym stosunku lc/D czyli przy rosnącym wymiarze
elementu, maleje jego wytrzymałość nominalna N (D) oraz ciągliwość. Stad beton przy wystarczająco dużych
elementach staje się materiałem czysto kruchym. Biorąc pod uwagę fakt, że cechy betonu są badane laboratoryjnie na skalowanych próbkach w odniesieniu do rzeczywistych wymiarów elementów konstrukcyjnych, potrzeba
sformułowania analitycznego prawa dla efektu skali jest bezdyskusyjna. Uwzględnienie tego zjawiska w wytycznych projektowych podniesie bezpieczeństwo konstrukcji i pozwoli na optymalne wykorzystanie możliwości tego materiału. Na dzień dzisiejszy w większości obowiązujących normatywów energetyczny efekt skali nie jest
uwzględniony.
Celem pracy jest analiza efektu skali w elementach żelbetowych poddanych ścinaniu. Zadanie to było realizowane dwuetapowo. W pierwszym etapie przeprowadzono badania eksperymentalne belek betonowych
zbrojonych tylko na zginanie, aby wymusić pożądany mechanizm zniszczenia. Drugim etapem pracy była symulacja numeryczna przy użyciu metody elementów skończonych.
2. Badania doświadczalne
Belki poddane były cztero-punktowemu zginaniu, a obciążenie sterowane było poprzez wymuszenie
przemieszczenia. Próbki wykonane były z betonu o wytrzymałości charakterystycznej na ściskanie 35
MPa. Zbrojenie w postaci prętów żebrowanych prostych kotwionych prętem poprzecznym stanowiło 1.0%
przekroju użytecznego. Przebadano 3 serie belek geometrycznie podobnych o długości: 1.5 m (seria S),
3 m (seria M), 6 m (seria L) oraz odpowiadającej im wysokości: 0.2 m, 0.4 m, 0.8 m. Wszystkie belki
miały identyczną szerokość równą 0.2 m. Każda seria składała się z 3 ciał próbnych, tym samym wykonano 9 badań. Oprócz tradycyjnego pomiaru siły i przemieszczenia tłoka, pomierzono również za pomocą czujników indukcyjnych: rzeczywiste ugięcie belki w środku przęsła, rozwarcie rys ukośnych oraz prostopadłych oraz przemieszczenia względne w strefie ściskanej. Zainstalowano również tensometry foliowe na prętach zbrojeniowych do odczytu naprężeń w stali. Dodatkowo wykorzystano nieinwazyjna metodę pomiaru lokalizacji odkształceń z wykorzystaniem cyfrowej metody korelacji obrazu (tzw. Digital Image Correlation, DIC).
Wszystkie belki uległy zniszczeniu poprzez ścinanie. Ewolucja zarysowania miała identyczny charakter dla wszystkich serii. W pierwszym etapie pojawiły się rysy prostopadłe od zginania w strefie stałego
momentu. Przy rosnącym obciążeniu rozwijały się rysy ukośne w strefie ścinania. Rysa krytyczna propagowała bardzo dynamicznie, odspajając ostatecznie zbrojenie od betonu i wtórnie przecinając strefę
ściskaną. Pomierzona wytrzymałość nominalna na ścianie była silnie uzależniona od wysokości elementu (Rys. 1), co potwierdza wpływ efektu skali. Otrzymane wyniki są zgodne z analitycznym prawem efektu skali Typu I (SEL) wg Bazanta [1]. Metoda DIC umożliwiła śledzenie rozwoju lokalizacji odkształceń i pomiar jej szerokości (Rys. 2). Badania wykazały, że wielkość elementu żelbetowego nie miała
wpływu na szerokość lokalizacji i wynosiła 16–20 mm przy maksymalnym kruszywie 16 mm.
34
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
Rys. 1: Pomierzony efekt skali wytrzymałości na ścinanie w porównaniu z prawem skali wg Bazanta
Rys. 2: Ustawienie kamer cyfrowych i pomierzone lokalizacje odkształceń metodą DIC (seria L)
3. Analiza numeryczna MES
Wykorzystano sprężysto-plastyczny model betonu z nielokalnym osłabieniem, który skutecznie symuluje deterministyczny (energetyczny) efekt skali [2]. Przyjęto kryterium Rankine'a w rozciąganiu oraz
Druckera-Pragera w ściskaniu. Długość charakterystyczna w modelu nielokalnym została dobrana tak,
żeby odwzorować szerokość lokalizacji pomierzoną eksperymentalnie metodą DIC. Przeprowadzono
również próbę identyfikacji statystycznego efektu skali. W tym celu zaimplementowano losowy przestrzennie skorelowany rozkład wytrzymałości na rozciąganie. Założono rozkład normalny oraz ekspotencjalną kwadratową funkcję korelacji. Wyniki analizy numerycznej były zgodne z wynikami eksperymentalnymi w odniesieniu do modelu zniszczenia, rozstawu lokalizacji oraz siły niszczącej (Rys. 3). Potwierdzono obecność silnego deterministycznego efektu skali i pomijalnego statystycznego efektu skali.
Rys. 3: Porównanie wyników eksperymentalnych i numerycznych dla belki serii M
Literatura:
[1] BAZANT, Z. and PLANAS, J., Fracture and size effect in concrete and other quasi-brittle materials. CRC Press LLC, 1998.
[2] BOBIŃSKIi J., TEJCHMAN J. & GÓRSKI J. Notched concrete beams under bending – calculations of size effects within stochastic
elasto-plasticity with non-local softening, Achives of Mechanics, 61, 3–4, 2009, pp. 283–307.
35
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
Obliczenia dwuskalowe w elementach betonowych
Michał Nitka – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]
Jacek Tejchman – Politechnika Gdańska Gdańsk, [email protected]
1. Podejście dwuskalowe
Zastosowano dwuskalowe podejście homogenizacyjne do materiałów granulowanych i betonowych (Rys.1). Na
poziomie małej skali symulowano mikrostrukturę przy zastosowaniu metody elementów dyskretnych. Przyjęto
wstępnie płaskie i sztywne dyski o średnicach 2-5 mm bez kohezji i z kohezją z prawem sprężystym i prawem tarcia
Coulomba w punktach kontaktu. Periodyczne warunki brzegowe zostały założone dla próbek reprezentatywnych.
Na poziome dużej skali zastosowano metodę elementów skończonych. Technika przechodzenia między
obydwoma skalami uwzględniła dyskretny model w każdym punkcie całkowania Gaussa siatki MES w celu
obliczenia wynikowej odpowiedzi konstytutywnej materiału. W tym procesie, styczna macierz sztywności została
obliczona za pomocą przyrostu naprężenia odpowiadającego danemu przyrostowi odkształcenia w punkcie
Gaussa. W celu wykrycia utraty jednoznaczności rozwiązania, wyznaczono wyznacznik tensora akustycznego
macierzy sztywności.
W ramach obliczeń utraty jednoznaczności rozwiązania, przeprowadzono wstępnie serię testów
numerycznych z różnymi parametrami fizycznymi i numerycznymi [1]. Zbadano wpływ wielkości próbki,
wielkości ziarna, kroku obliczeniowego, tłumienia, tarcia, kohezji oraz wielkości perturbacji w elemencie
reprezentatywnym. Dodatkowo uwzględniono nielokalność odkształceń na poziomie makro. Wyniki
numeryczne pokazują, że parametry fizyczne i numeryczne mogą mieć istotny pływ na ilość punktów utraty
jednoznaczności rozwiązania. Wzrost liczby ziaren i kohezji w próbce reprezentatywnej oraz redukcja kroku
obliczeniowego, perturbacji i tarcia powodują wzrost stabilności rozwiązania.
Następnie wykonano dwuskalowe obliczenia numeryczne z wykorzystaniem metody elementów MES
skończonych i metody elementów dyskretnych MED. Obliczono kilka podstawowych testów
wytrzymałościowych (enometryczne ściskanie, dwuosiowe ściskanie i ścinanie) stosując połączoną
technikę MED-MES. Wyniki porównano z wynikami uzyskanymi tylko metodą MED. Uzyskano dobrą
zgodność z wynikami symulacji dyskretnych MED i wynikami doświadczalnymi [1], [2].
Rys.1: Obliczeniowa homogenizacja przy zastosowaniu metody elementów dyskretnych na poziomie mikro i metody elementów
skończonych na poziomie makro
Literatura:
[1] NITKA, M., COMBE, G., DASKALU,.C., DESRUES, J., Two-scale modeling of granular materials: a DEM-FEM approach, Granular
Matter 13, 2011, pp.277–281.
[2] NITKA, M., TEJCHMAN, J., A two-scale numerical approach to granular systems, Archives of Civil Engineering, LVII, 3, 2011,
pp. 313–330.
36
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
Wyznaczanie kompatybilności
materiałowych układów złożonych
Andrzej Garbacz – Politechnika Warszawska, Warszawa, [email protected]
1. Wprowadzenie
Trwałość obiektów budowlanych została wpisana do wymagań podstawowych dyrektywy europejskiej
89/106/ECC. W europejskiej normie EN-1992-1-1. Eurocode 2 zostały sformułowane ogólne wymagania dotyczące trwałości konstrukcji żelbetowych. Budowla, której zdolność do prawidłowego spełniania założonych
funkcji uległa pogorszeniu, wymaga przeprowadzenia naprawy.
Naprawa budowli to złożony sposób postępowania, mający na celu całkowite lub częściowe przywrócenie
obiektowi wyjściowego lub wymaganego projektem stanu użytkowania [1]. Złożoność zagadnienia znajduje
odzwierciedlenie w dużej liczbie różnorodnych rozwiązań materiałowych w zakresie napraw i ochrony betonu przed korozją, oferowanych na rynku.
Podstawowym warunkiem zapewniania niezawodności i trwałości w odniesieniu do konstrukcji nowowznoszonych jak i konstrukcji istniejących naprawianych bądź wzmacnianych jest zapewnienie kompatybilności materiałowej [2]. Skuteczne zapewnienie niezawodności i trwałości rozwiązania materiałowego wymaga
odniesienia do wielowymiarowej przestrzeni dobrej współpracy.
Celem tematu badawczego jest opracowanie inżyniersko przydatnego narzędzia wyznaczania przestrzeni
kompatybilności materiałowych układów złożonych w konstrukcji jest. W ramach tematu badawczego analizowane są następujące zagadnienia:
● dobór materiałów naprawczych do betonu – zwiększenie skuteczności napraw,
● dobór powłoki na beton (ochrona powierzchniowa) w konsekwencji między innymi zwiększenie skuteczności ochrony betonu, zwiększenie trwałości powłok ochronnych,
● współpraca w układzie „zbrojenie niemetaliczne-beton”, ocena przydatności zbrojenia alternatywnego do
stali pozwalającego wyeliminować korozję zbrojenia – istotnie zwiększyć trwałość żelbetu.
2. Pojęcie kompatybilności
Podłoża betonowe podlegające ochronie i/lub naprawie różnią się między sobą wiekiem, jakością i warunkami użytkowania: od względnie świeżego betonu do niemal całkowicie zniszczonego – podlegającego działaniu zmiennej temperatury, agresywnego środowiska i znacznych obciążeń mechanicznych. Koncepcja doboru materiału do napraw zmieniała się z upływem czasu. Długi czas jako podstawową wytyczną traktowano
naprawę materiałem „podobnym” do naprawianego [1]. Stopniowo, jako wytyczną przeprowadzania naprawy zaczęto przyjmować bardziej racjonalną zasadę „podobieństwa cech technicznych”. L. Czarnecki i in. [3]
sformułowali zasadę dobrej współpracy jako:
taki dobór – pod względem właściwości chemicznych i fizycznych – elementów układu naprawianego, aby
zapewniał on nie przekraczanie naprężeń dopuszczalnych (w niektórych przypadkach także odkształceń)
w żadnej części układu, w przewidzianym czasie i warunkach użytkowania.
Zapewnienie dobrej współpracy składników układu materiał naprawczy – beton cementowy jest wciąż
trudnym do rozwiązania problemem. Istnieje przy tym potrzeba opracowania narzędzia, które mogłoby być
stosowane do przewidywania zachowania się układu, a także do wyboru właściwych materiałów, zwłaszcza
kompozytów polimerowych, do danego zastosowania. Wymagania kompatybilności dotyczą nie tylko cech fizykomechanicznych, ale również: kompatybilności chemicznej, elektrochemicznej, kompatybilności ze
względu na szczelność.
Rezultatem dotychczasowych prac prowadzonych w tym zakresie w Katedrze Inżynierii Materiałów
Budowlanych było opracowanie we współpracy z NIST, USA, trzech modeli kompatybilności (iniekcja,
uzupełnianie ubytków, powłoki ochronne) oraz programu komputerowego CCS – Compatibility Computer System 1.3, umożliwiającego analizę kompatybilności układów materiał naprawczy – podłoże betonowe. Modele te zostały sformułowane przy szeregu założeń upraszczających. Z tego względu wymagają
dalszej modyfikacji.
37
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
3. Zagadnienie kompatybilności powłok ochronnych
Przedstawiony w rozdziale 2 model kompatybilności powłoki został sformułowany dla powłok o stosunkowo wysokiej wytrzymałości na rozciąganie – powyżej 8 MPa. Obecnie najczęściej w ochronie powierzchniowej stosuje się uelastycznione powłoki polimerowo-cementowe. Charakteryzują się one niską wartością wytrzymałości na zerwanie ok. 1MPa, niskim modułem sprężystości oraz dużym wydłużeniem przy zerwaniu – powyżej 15%. Wykazują również stosunkowo niską przyczepność do podłoża – ok. 0,8MPa (zgodną z wymaganiami PN-EN 1504-2). Konsekwencją wartości cech mechanicznych jest fakt, iż uprzednio sformułowany model kompatybilności dla powłok z założenia nie jest spełniony, w szczególności w odniesieniu do warunku
określającego przyczepność do podłoża betonowego. W ramach przeprowadzonych analiz zmodyfikowano
model kompatybilności (rys. 1), którego trafność potwierdziły przeprowadzone badania eksperymentalne.
Rys. 1. Wpływ grubości uelastycznionej powłoki polimerowo-cementowej na kompatybilność układu powłoka – beton C20/25 przy
tej samej szerokości rozwarcia rysy; grubość powłoki od lewej: 2, 3 i 4 mm
Wyniki badań laboratoryjnych pokazały konieczność uwzględniania funkcji użytkowej danego materiału
(materiały iniekcyjne, powłoki ochronne) przy doborze parametrów prowadzenia badań wytrzymałościowych, których celem jest oznaczenie właściwości definiujących model kompatybilności.
Istotnym problemem z punktu widzenia trwałości i niezawodności naprawy jest podatność na przejście ze
stanu kompatybilności w stan niekompatybilny, wywołany np., rozrzutem cech technicznych materiału naprawczego. Z tego względu konieczne jest uzupełnienie analizy przestrzeni dobrej współpracy o parametr charakteryzujący stopień kompatybilności danego układu materiałów. Parametr ten stanowiłby miarę (kwantyfikację) położenia punktu odpowiadającego danemu kompozytowi naprawczemu w wielowymiarowej przestrzeni dobrej współpracy. Stopień (miara lub miary) kompatybilności mógłby być skutecznym narzędziem do oceny rozwiązań materiałowych stosowanych przy naprawach budowli. W wyniku dotychczasowych analiz zaproponowano dwa podejścia deterministyczne i probabilistyczne, które będą testowane w dalszych badaniach.
4. Wnioski
Dotychczasowe doświadczenia z korzystania z programu CCS, jak również wyniki obliczeń i symulacji
uzyskane za jego pomocą wskazują na konieczność jego dalszych udoskonaleń. Udoskonalenia te powinny
zmierzać w następujących kierunkach:
● doskonalenia modeli i algorytmu wyznaczania przestrzeni dobrej współpracy zależnie od analizowanego
układu złożonego,
● wprowadzenie miary kompatybilności – brak oceny stopnia niezawodności. Uwagi te stanowią inspiracje
badawczą i wskazują dalsze kierunki rozwoju modelu dobrej współpracy,
● zwiększenie szybkości działania i przyjazności programu wyznaczania przestrzeni kompatybilności, szczególnie istotnej w przypadku zwiększenia liczby warunków kompatybilności i ich stopnia złożoności.
Literatura:
[1] CZARNECKI L., EMMONS P. H., Naprawa i ochrona konstrukcji betonowych, Polski Cement, Kraków, 2003
[2] CZARNECKI L., GARBACZ A., ŁUKOWSKI P., CLIFTON J. R, Polymer Composites for Repairing of Portland Cement Concrete: Compatibility Project,. Report no. NISTIR 6394, Gaithersburg, 1999.
[3] CZARNECKI L., CLIFTON J. R., GŁODKOWSKA W.: Problem of compatibility of polymer mortars and cement concrete system.
Int. Coll. „Materials and Restoration”, Esslingen, 1992, 964–971
38
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
Badania nieniszczące elementów betonowych
poddanych degradacji mechanicznej
Krzysztof Wilde – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]
Magdalena Rucka – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]
1. Opis zagadnienia
Cel
Celem badań jest opracowanie metod (procedur) nieniszczącej diagnostyki betonu przy zastosowaniu
technologii ultradźwiękowych podnoszących niezawodność i obniżające niepewność określania parametrów
materiałowych [1-3].
Zakres prac
Prace eksperymentalne prowadzone były następującymi metodami:
metoda pomiaru czasu przejścia fali za pomocą betonoskopu,
● analiza modalna,
● metoda młoteczkowa (tzw. impact-echo),
● metoda propagacji ultradźwiękowych paczek falowych.
Badania doświadczalne prowadzono na próbkach: płyty koliste o średnicy 0.5 m i grubości 10 cm, bloczki betonowe o wymiarach 30 x 12 x 5 cm (rys. 1), belki poddawane zginaniu o wymiarach 50 z 15 x 10 cm
oraz belki poddane rozciąganiu o wymiarach 70 x 15 x 5 cm (rys. 2). W niektórych elementach znajdowały
się inkluzje w formie elementów kulistych. Badania ultradźwiękowe prowadzono także na próbkach poddanych degradacji mechanicznej w próbach zginania i rozciągania.
●
Otrzymane wyniki
Przykładowe wyniki dla badań na bloczkach betonowych o wymiarach 5 x 12 x 30 cm pokazane są na rys.
1. Bloczek poddany został punktowemu badaniu metodą młoteczkową przez grubość elementu (5 cm). Metoda ta wykorzystuje zjawisko propagacji fal wzbudzanych przez mechaniczne uderzenie i ich pomiar za pomocą jednego lub dwóch akcelerometrów. W każdym bloczku wykonano 10 powtórzeń pomiarów. Podstawowa
częstotliwość drgań (częstotliwość odbicia od dna próbki) wynosiła ok. 43 kHz. Wykonano również symulacje propagującej fali metodą elementów spektralnych. Analiza spektralna umożliwiła wskazanie próbek, w których umiejscowione były inkluzje, jednakże wyniki te były obarczone dużym stopniem niepewności.
Na rysunku 2 pokazane są badania propagacji fal sprężystych w elementach poddanych degradacji mechanicznej. W betonie znajdował się pręt zbrojeniowy z pięcioma nacięciami. Przewidywany rozkład naprężeń widać na rys. 2. Czerwonym kolorem oznaczone są strefy dużych naprężeń. Belka poddana została rozciąganiu, w trakcie którego generowane były i rejestrowane fale ultradźwiękowe w interwale 15 sekund. Łączna liczba pomiarów wyniosła 118. Pojawienie się i zwiększanie rys miało odzwierciedlenie w zarejestrowanych sygnałach (rys. 2) w formie spadku amplitud fal oraz zwiększenia się czasu przejścia.
Uwagi końcowe
W badaniach zakończono etap prac bazujących na prędkości propagacji fali, metodach młoteczkowych
oraz jednopunktowych wzbudzeń paczka falową. Następny etap prac związany jest z projektem i wykonaniem prototypu wzbudnika mechanicznego dla metody młoteczkowej, charakteryzującego się wysoką powtarzalnością wzbudzanej fali sprężystej.
Nowe badania poświęcone będą badaniu zjawiska interferencji fal ultradźwiękowych z drganiami harmonicznymi niskich częstotliwości dla elementów konstrukcyjnych z betonu zarysowanego. Rozpoznanie zjawiska umożliwi budowę urządzenia wysokiej czułości do nieniszczącej diagnostyki betonu wykorzystującej zjawisko akustyki nieliniowej.
39
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
Rys. 1. Badanie metodą młoteczkową na próbkach prostopadłościennych z inkluzjami
Rys. 2. Badanie ultradźwiękowe z zastosowaniem wzbudników piezoelektrycznych na belce rozciąganej
Literatura:
[30] WITKOWSKI W., RUCKA M., WILDE K., CHRÓŚCIELEWSKI J., Wave propagation analysis in spatial frames using spectral Timoshenko beam elements in the context of damage detection, Archives of Civil Engineering, 55, 2009, pp. 367-402
[31] RUCKA M., Guided Wave Propagation in Structures. Modelling, Experimental Studies and Application to Damage Detection, Seria Monografie nr 106, Wyd. Polit. Gdańskiej, Gdańsk, 2011, 182 pp.
[32] RUCKA M., WILDE K., Non-destructive diagnostics of concrete cantilever beam and slab by impact echo method, Diagnostyka 3, 2010,
pp. 63-68
40
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
Ocena niezawodności podstawowych elementów betonowych
metodą powierzchni odpowiedzi
Jarosław Górski – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]
Karol Winkelmann – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]
Praca zawiera trzy elementy:
przyjęcie modelu betonu, ujmującego zniszczenie materiału,
● generacje losowego pola zniszczenia materiału w elementach betonowych,
● wykorzystanie metody powierzchni odpowiedzi w obliczeniach niezawodności elementów betonowych.
Przyjęto gradientowy, wzbogacony model zniszczenia materiału betonowego, opisany np. w [1]. Zniszczenie betonu opisuje kinematyczny parametr przyjmujący wartości 0? (x, t)? 1 dla każdego punktu przestrzeni i każdej chwili czasowej t, gdzie: 1 – oznacza niezniszczony materiał, a 0 – materiał zniszczony.
Podstawowe związki modelu wynikają z modyfikacji klasycznych równań mechaniki. Do grupy podstawowych równań dodano dodatkowy związek opisujący ewolucję parametru zniszczenia. Wykorzystanie zaproponowanego, gradientowego modelu zniszczenia w dwuwymiarowych elementach skończonych prowadzi
do trzech niewiadomych w węzłach. Zmienne wyznaczane są w sposób iteracyjny. W analizie stworzonego modelu zastosowano standardowe elementy trójkątne (CST). Utworzono dwie wersje programu opisujące kruche i plastyczne zniszczenie.
Losowym parametrem opisującym początkowy rozkład zniszczenia materiału jest parametr W – próg
zniszczenia. W analizie zastosowano metodę warunkowej generacji oraz akceptacji i odrzucania przedstawioną szczegółowo np. w [2]. Algorytm umożliwia generację jednorodnych lub niejednorodnych pól losowych opisanych dowolną funkcją korelacyjną. Stosowane są rozkłady symetryczne (Gaussa) oraz niesymetryczne (np. Weibulla). W obliczeniach losowych najprostszym i jednocześnie najbardziej czasochłonnym
algorytmem jest metoda Monte Carlo. W celu ograniczenia liczby próbek w pracy stosowane są metody
redukcyjne.
Podejmowane są także próby wykorzystania bardziej zaawansowanych metod, związanych z opisem powierzchni odpowiedzi, która używana jest do modelowania i analizy problemów inżynierskich, w których
odpowiedź konstrukcji jest mocno zależna od fluktuacji pewnych zmiennych. Przykłady takiego postępowania można znaleźć np. w [3] oraz [4]. Stworzono autorski program kalkulacyjny, zapisany w języku
FORTRAN, który jest w stanie dla liczby co najwyżej pięciu zmiennych niezależnych i dla dowolnej liczby punktów projektowych wygenerować powierzchnię odpowiedzi dla zadanego wzorem jawnym problemu inżynierskiego. Możliwe jest zatem dzięki niemu wpierw znalezienie najlepiej obrazującej stan rzeczywisty elementu powierzchni ilustrującej interakcję czynników zmiennych w modelu, a następnie, z dużą redukcją czasu obliczeniowego, określenie współczynnika niezawodności danego elementu betonowego. Program pozwala na aproksymację powierzchni interakcji niezależnych zmiennych losowych funkcją liniową
(model pierwszego rzędu), lub też za pomocą wielomianów stopnia wyższego (model drugiego rzędu).
Należy równocześnie podkreślić, że badanie niezawodności (trwałości) elementów betonowych opisanych
nieliniowymi równaniami konstytutywnymi jest niezwykle trudne i wymaga bardziej dogłębnej analizy.
●
Literatura:
[1] FRÉMOND M., NEDJAR B., Damage, gradient of damage and principle of virtual power, Int. J. Solids Structures. Vol. 33, No. 8, 1996,
pp. 1083–1103.
[2] WALUKIEWICZ H., BIELEWICZ E., GÓRSKI J., Simulation of nonhomogeneous random fields for structural applications, Computers
and Structures, Vol. 64, No. 1–4, 1997, pp. 491–498.
[3] BOX G. E. P., WILSON K. B., On the Experimental Attainment of Optimum Conditions (with discussion), Journal of Royal Statistics Society, Series B. Vol. 13, No. 1, 1951, pp. 1–45.
[4] ALIBRANDI U., IMPOLLONIA N., RICCIARDI G., Probabilistic eigenvalue buckling analysis solved through the ratio of polynomial response surface. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. Vol. 199, 2009, pp. 450–464.
41
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
Zastosowanie elementów nieskończonych
do diagnostyki ultradźwiękowej masywnych elementów
Marek Krzysztof Jasina – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]
1. Cel pracy – modelowanie propagacji fal w elementach masywnych
W rzeczywistych zagadnieniach pomiarowych detekcji uszkodzeń w masywnych elementach betonowych,
odległość do powierzchni brzegowej elementu jest znaczna i pozwala na niezakłóconą detekcję fali odbitej
od uszkodzenia. W analizie numerycznej MES (z klasycznymi elementami skończonymi), ze względu na celowe ograniczenie analizowanego obszaru elementu betonowego, gdy dyskretyzowana jest tylko obszar pomiarowy, występuje problem zakłóceń odczytu spowodowany odbiciem fali od brzegu dyskretyzowanego obszaru.
W wielu zagadnieniach inżynierii mamy do czynienia z nieskończoną lub pół-nieskończoną dziedziną.
Metody uwzględniające nieograniczoną dziedzinę zagadnienia (ang. unbounded domains) są dobrze rozpoznane i nadal mocno rozwijane (szczególnie w akustyce).
2. Wprowadzenie
Pierwsze odnoszące się do Metody Elementów Skończonych opracowania elementów nieskończonych
związane są z pracami UNGLESS [11], UNGLESS I ANDERSON [1] oraz ZIENKIEWICZ I INNI [13].
Znane są dwie koncepcje sformułowania elementów nieskończonych. Pierwsze opracowania dotyczą elementów nieskończonych z tzw. funkcjami zaniku (ang. decay function infinite elements), wykorzystując standardowe, bazowe funkcje kształtu w połączeniu (przemnożeniu) z całkiem nowymi funkcjami zaniku użytymi w kierunku nieskończonym. Po nich pojawiły tzw. elementy nieskończone odwzorowane (ang. mapped infinite elements). W tym podejściu elementy formułowane są w taki sposób, aby otrzymać formułę całkowania numerycznego. Elementy te transformują geometrię elementu z postaci skończonej do nieskończonej. Czasem potrzebne są dwa odwzorowania, jedno dotyczące funkcji interpolacji, drugie służące formułowaniu całkowania
numerycznego. Celem zachowania zwięzłości powyższe metody nazywane są łącznie odwzorowaniem nieskończonym, dzięki czemu otrzymuje się „odwzorowane elementy nieskończone”. Szczegółowe opracowanie
elementów nieskończonych w MES stanowi książka BETTESS [2].
3. Przegląd
Wiele proponowanych elementów nieskończonych używa koncepcji odwzorowania (ang. mapping), lub
mogą być one oddane w tej formie. UNGLESS I ANDERSON [1], [11] w trójwymiarowych zastosowaniach sprężystych używają określenia w formie 1/(1+r). MEDINA [7], zaadoptował takie samo podejście.
BEER I MEEK [4] jako pierwsi wyraźnie zastosowali odwzorowanie, które zawiera określenie w formie
1/(1–ζ), które odwzorowuje skończoną dziedzinę ζ w nieskończoną dziedzinę x. Odwzorowanie dzieli się
na dwie części, od ζ=−1 do ζ=0 i od ζ=0 do ζ=+1, w lokalnym układzie współrzędnych ζ. Zastosowana
procedura zawiera funkcje w następującej postaci 2(ζ+12)ζ dla ζ<0, i 2(ζ+12)(1−ζ)–1 dla ζ>0. Druga część
odwzorowania jest podobna do zaproponowanej w pracy ZIENKIEWICZ I INNI [12]. Praca BEER I MEEK [4] zawiera więcej detali oraz wkład do dyskusji, autorzy użyli także standardowego całkowania numerycznego Gaussa-Legendre'a w skończonej dziedzinie ζ. Pod pewnym względem metoda zaproponowana
w pracach ZIENKIEWICZ I INNI [12], [13], jest podobna do ich podejścia. Główną zaletą metody zaproponowanej przez ZIENKIEWICZA jest jej prostota i sposób w który wielomiany w dziedzinie ζ odwzorowywane są w wielomiany w dziedzinie x, które są bardzo pożądane celem osiągnięcia zbieżności. W pracy BEER I MEEK [4] odwzorowanie ma miejsce w dwu sekcjach, liniowej and nieliniowej. Podejście, które zaproponował PISSANETZKY [9], [10] jest podobne, przeprowadził on całkowanie w dziedzinie nieskończonej,
i wprowadził modyfikację poprzez obcięcia i wagi Gaussa-Legendre'a. CURNIER [5] scharakteryzował dwie
metody, opisane tutaj jako funkcje zaniku odpowiednio „opadająca funkcja kształtu” (ang. descent shape function) i „wznosząca się funkcja kształtu” (ang. ascent shape function). Pokazał on, że te dwie metody mogą być
równoważne w zależności od wyboru funkcji kształtu. Niemniej jednak metoda odwzorowania ma zaletę pokazaną w pracach ZIENKIEWICZ I INNI [12], [13] polegającą na zachowaniu zasady kwadratury elemen-
42
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
tów skończonych. OKABE [8] podał różne możliwości funkcji kształtu dla dziedzin nieskończonych bazując
na uogólnionej rodzinie Lagrange'a dla sześcianu. Wydaje się to być niezależnym odkryciem w stosunku do mapowania zaproponowanego w pracy ZIENKIEWICZ I INNI [11]. OKABE [8] skomentował ponownie zalety
takiego podejścia. Jego artykuł jest typowym wskazaniem ścisłego i analitycznego podejścia do elementów skończonych. Forma odwzorowania (mapowania) podana oryginalnie przez Zienkiewicza została uproszczona
i usystematyzowana w pracy MARQUES I OWEN [6], w której autorzy podali w tabeli funkcje szerokiej gamy
powszechnie stosowanych elementów skończonych.
4. Jednowymiarowy odwzorowany element skończony Zienkiewicza
Często stosowane są dwa typy odwzorowania, jedno dotyczy funkcji interpolacji, drugie służy formułowaniu całkowania numerycznego, zwykle Gaussa-Legendre'a. To podejście, zgodnie z pracami, których autorem
jest ZIENKIEWICZ I INNI [12], [13], identyfikuje dwa rodzaje odwzorowania. Ma to taką silną zaletę, że
zachowuje pierwotne obcięcia i wagi całkowania Gaussa-Legendre'a. Jedyną procedurą niezbędną do transformacji elementu skończonego w nieskończony jest nowe wyznaczenie macierzy Jacobiego. W przypadku problemu jednowymiarowego element rozciąga się od punktu o współrzędnej x1 poprzez x2 do x3 (w nieskończoności), punkt o współrzędnej x0 jest traktowany jako biegun. Element ten jest odwzorowany na dziedzinę −
1<ζ<+1.
W pracy MARQUES I OWEN [6] sformułowano funkcje odwzorowujące M1(ζ) i M2(ζ) tak aby
x(ζ)= M1(ζ)x1+ M1(ζ)x2
Postać tych funkcji jest łatwa do wyprowadzenia, funkcje odwzorowujące są przedstawione w Tabeli 1 i zilustrowane na Rysunku 1. Funkcje odwzorowujące dla „ostatniego” węzła, węzła w nieskończoności, nie są
dane, ponieważ nie są one w ogólności potrzebne.
funkcje
odwzorowujące
ζ=−1
ζ=0
ζ=+1
M1(ζ)
−2ζ(1−ζ)–1
+1
0
−∞
M2(ζ)
(1+ζ)(1−ζ)–1
0
+1
+∞
Tabela 1: Funkcje odwzorowujące elementu nieskończonego
Rysunek 1: Kwadratowe funkcje odwzorowujące [2]
43
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
Literatura:
[1] ANDERSON D. L., UNGLESS R. L., Infinite finite elements. Int. Symp. Innovative Num. Anal. Appl. Eng. Sci., 1977, France.
[2] BETTESS P., Infinite elements, Penshaw Press, 1992 (modified July 31, 2006), pp. 251.
[3] BEER G., Discussion of Ref. 40' (and authors' reply), Engineering Computations, 1, 1984, pp 290–292.
[4] BEER G., MEEK J. L., Infinite domain elements, Int. J. Num. Meth. Eng., 17 (1), 1981, pp 43–52.
[5] CURNIER A., A static infinite element, Int. J. Num. Meth. Eng., 19, 1983, pp. 1479–1488.
[6] MARQUES J. M. M. C., OWEN D. R. J., Infinite elements in quasi-static materially non-linear problems', Computers and Structures,
18 (4), 1984, pp. 739–751.
[7] MEDINA F., Modelling of Soil-Structure Interaction by Finite and Infinite Elements, Ph. D. Thesis, University of California, Berkeley, 1981.
[8] OKABE M., Generalised Lagrange family for the cube with special reference to infinite domain interpolations, Comp. Meth. Appl. Mech.
Eng., 38 (2), 1983, pp. 153–168.
[9] PISSANETZKY S., An infinite element and a formula for numerical quadrature over an infinite interval, Int. J. Num. Meth. Eng., 19, 1983,
pp. 913–928.
[10] PISSANETZKY S., A Simple Infinite Element, COMPEL, 3, No. 2, 1984, Boole Press, Dublin, pp. 107–114
[11] UNGLESS R. L., An infinite finite element, M A Sc Thesis, University of British Columbia, 1973.
[12] ZIENKIEWICZ O. C., BETTESS P., CHIAM T. C., EMSON C. R. I., Numerical methods for unbounded field problems and a new infinite element formulation, ASME, AMD, 46, 1981, pp. 115–148, New York.
[13] ZIENKIEWICZ O. C., EMSON C. R. I., BETTESS P., A novel boundary infinite element, Int. J. Num. Meth. Eng., 19, 1983,
pp. 393–404.
44
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
Symulacje numeryczne propagacji fal ultradźwiękowych
w ujęciu metody elementów spektralnych
Jacek Chróścielewski – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]
Wojciech Witkowski – Politechnika Gdańska, Gdańsk, [email protected]
Marek Jasina – Politechnika Gdańska, Gdańsk, mjasina@ pg.gda.pl
1. Opis zagadnienia
Cel
Celem badań jest numeryczna symulacja zjawiska propagacji fali sprężystej w modelach różnych ustrojów inżynierskich takich jak trójwymiarowe struktury typu: prętów (np. belka, słup, rama), płyt, powłok
czy ustrojów bryłowych (np. stopa fundamentowa). Do analizy wykorzystuje się Metodę Elementów Skończonych (w tzw. wersji spektralnej). Szczególną uwagę poświęca się badaniu zjawiska odbicia czoła fali od
defektów, możliwych w konstrukcjach inżynierskich. W badaniach defekty takie modelowane są na dwa
sposoby.,, Skokowy", na przykład inkluzja o znacznie różnych skokowo zmiennych charakterystykach materiałowych silnie różnych od otoczenia w którym występuje (w granicy może być to pusta kawerna).
A także na sposób,, rozmyty", kiedy zmiany parametru opisuje funkcja ciągła definiowana w określonej
dziedzinie. To podejście może w sposób przybliżony symulować na przykład konstrukcję betonową, w której doszło do zarysowania o zmiennej intensywności. Otrzymane wyniki i ich analiza przyczynią się do pogłębienia zrozumienia fizyki zjawiska propagacji fali w materiałach z defektami. W konsekwencji oczekuje się, że znajomość analizy tych zjawisk pozwoli na opracowanie technicznego urządzenia umożliwiającego wykrywanie i ocenę defektów w konstrukcjach rzeczywistych. Urządzenie takie dzięki kontrolowanej
emisji i odbiorowi odbitych fal ultradźwiękowych wspomaganych właśnie interpretacyjną analizą numerycznych, ma służyć do oceny stanu aktualnego elementów konstrukcyjnych istniejących obiektów inżynierskich.
Metodyka badań
W badaniach wykorzystuje się przestrzenne wielowęzłowe elementy skończone klasy C0, nazywanych
też w literaturze elementami spektralnym. Tutaj pojęcie wielowęzłowość oznacza na przykład element
skończony o 11 węzłach w każdym kierunku przestrzeni. Należy zauważyć, że takie elementy nie są dostępne w standardowych bibliotekach elementów skończonych komercyjnych systemów. Zasadniczym
punktem formułowania rozpatrywanych elementów jest zastosowanie do całkowania macierzy elementowych kwadratury Lobatto i odpowiadającego rozkładu węzłów elementu w elemencie fizycznym i macierzystym. Prowadzi to do diagonalnej macierzy mas elementu jak i całego układu. Fakt ten pozwala na specjalne sformułowanie efektywnego algorytmu całkowania po czasie typu Newmarka, który umożliwia
znaczne skrócenie czasu obliczeń w zagadnieniach typu propagacji fal w porównaniu z klasyczną wersją,
zob. na przykład [1, 2].
Otrzymane wyniki
W dotychczasowych badaniach prowadzono, między innymi studium dotyczące propagacji i odbić fali
w trójwymiarowej bryle w kształcie sześcianu z pustką modelowaną jako element skończony o zerowym
module Younga. Rys. 1a przedstawia kształt czoła fali przyspieszenia punktów w kierunku przyłożonego
obciążenia w pewnej wybranej chwili czasu. Zaznacza się skomplikowany kształt czoła fali. W środku bryły widoczny jest sześcian którego wewnętrzne reprezentuje pustkę materialną.
W kolejnych badaniach analizowano belkę, w której założono ciągłą przestrzenną zmianę modułu
Younga opisaną funkcją będącą kombinacją odwzorowań parabolicznych i liniowych, zob. rys. 1b. Tutaj
najmniejsze wartości modułu występują w środku rozpiętości belki w jej włóknach dolnych. W zadaniu
tym oceniano między innymi wpływ sposobu realizacji obciążenia tj.: obciążenie jednopunktowe (1P,
wzbudnik pojedynczy) lub obciążenie wielopunktowe (WP, grupa odpowiednio zsynchronizowanych
wzbudników). Rys. 2 przedstawia kształty czół fali przyspieszenia (wzdłuż osi belki) odpowiednio w przy-
45
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
padku 1P i WP, a rys. 3 ukazuje przejście fali w przekroju wzdłużnym. Oba rysunki dotyczą tej samej chwili czasowej. Obraz rys. 3 pozwala zauważyć, że czoło fali w przypadku obciążenia 1P jest bardziej zakrzywione w porównaniu z obciążeniem WP. Wyraźnie widać też że fala porusza się wolniej w obszarze zmniejszonego funkcyjnie modułu Younga.
a)
b)
Rys. 1. a) propagacja fali w elemencie sześciennym z kawerną, b) funkcyjnie zmienny moduł Younga w belce
a)
b)
Rys. 2. Propagacja fali w belce z funkcyjnie zmiennym modułem Younga: a) obciążenie 1P, b) obciążenie WP
a)
b)
Rys. 3. Przekrój wzdłużny przez belkę zmiennym modułem Younga: a) obciążenie 1P, b) obciążenie WP
Literatura:
[1] WITKOWSKI W., RUCKA M., WILDE K., CHRÓŚCIELEWSKI J., Wave propagation analysis in spatial frames using spectral Timoshenko beam elements in the context of damage detection, Archives of Civil Engineering, 55, 2009, pp. 367-402
[2] RUCKA M., Guided Wave Propagation in Structures. Modelling, Experimental Studies and Application to Damage Detection, Seria Monografie nr 106, Wyd. Polit. Gdańskiej, Gdańsk, 2011, 182 pp.
46
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
Włókna bazaltowe jako zbrojenie betonu
Dawid Moszczyński – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]
Łukasz Sowa – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]
Radosław Walendziak – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]
Tomasz Waśniewski – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]
1. Informacje wstępne
W dzisiejszych czasach w budownictwie oraz w innych gałęziach przemysłu coraz częściej stosowane są
włókna kompozytowe, szerzej znane pod nazwą FRP (Fibre Reinforcement Polimer). Do najbardziej znanych zaliczamy włókna szklane GFRP, włókna aramidowe AFRP oraz węglowe CFRP. Nowością na rynku
są włókna bazaltowe BFRP zbudowane na bazie skały bazaltowej. Proces produkcji tych włókien jest taki sam
jak w przypadku włókien szklanych czy aramidowych, ale ze względu na cechy bazaltu pochłania to mniej
energii. Przekłada się to bezpośrednio na koszty produkcji.
Do najważniejszych cech włókien bazaltowych możemy zaliczyć:
● Mały ciężar objętościowy materiału,
● Odporność na korozję,
● Brak przewodnictwa elektrycznego,
● Pasywność magnetyczną,
● Dużą odporność na wysokie temperatury,
Tablica 1 przedstawia główne właściwości włókien BRFP w porównaniu z włóknami CFRP oraz stalą zwykłą.
Tablica 1. Cechy fizyczne włókien BFRP w porównaniu z CFRP oraz stalą
Cecha
Gęstość objętościowa
Wytrzymałość na rozciąganie
Moduł sprężystości
Temperatura pracy
Jednostka
[kg/dm3]
[MPa]
[GPa]
[°C]
Włókna BFRP
2,6
3000-3500
90
-260 do 1000
Włókna CFRP
1,9
3500
200-230
–
Stal
7,8
500-1000
210
–100 do 400
Asortyment produkcyjny jest zróżnicowany. Do najważniejszych produktów należą:
Roving – półprodukt w postaci zestawu włókien, stanowi bazę do produkcji innych produktów,
● Liny – elastyczne linki bez bazy żywicznej,
● Taśmy – elastyczne taśmy bez bazy żywicznej, dwukierunkowe,
● Pręty – włókna bazaltowe ułożone jednokierunkowo, zalane bazą żywiczną,
● Kształtki prętowe – różnego kształtu (np. L) w bazie żywicznej.
● Maty jednokierunkowe, dwukierunkowe,
● Krótkie włókna bazaltowe jako dodatek do betonu.
Tak duży asortyment powoduje iż włókna można wykorzystywać w szerokim zakresie.
●
2. Badania wytrzymałościowe
Krótki opis próbek
W celu wyznaczenia zależności naprężenie- odkształcenie, przeprowadzono wstępne badania asortymentu dostarczonego przez przemysł. Do badań przygotowano cztery próbki:
● Roving bazaltowy 2400,
● Linkę bazaltową o średnicy 15mm,
● Taśmę bazaltową o szerokości 20mm i grubości 0,4mm,
● Taśmę bazaltową o szerokości 50mm i grubości 0,4mm,
Przygotowania próbek do badań przeprowadzono zgodnie z zaleceniami podanymi w [1]. Próbki miały
długość 300 mm. Próbki wszystkich materiałów zostały zaopatrzone w uchwyty aluminiowe, które miały zabezpieczyć materiał przez uszkodzeniem przez zaciskające się szczęki maszyny wytrzymałościowej. Uchwyty zostały przyklejone za pomocą żywicy epoksydowej.
47
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
Rezultaty
Wszystkie przebadane próbki zniszczyły się w prawidłowy sposób, nastąpiło częściowe zerwanie włókien,
co spowodowało znaczny wzrost odkształceń i wyłączenie maszyny wytrzymałościowej. Wyniki badań przedstawia tablica 2. Rysunek nr 1 przedstawia próbki po badaniu.
Rys. 1. Próbki liny oraz taśm po badaniu
Tablica 2 Wyniki badań wytrzymałościowych
Materiał
Roving
Lina o średnicy 15mm
Taśma 20 x 0,4mm
Taśma 50 x 0,4mm
Zastępcze
pole przekroju
[mm2]
4,53
11,41
2,26
6,47
Siła
zrywająca
[kN]
3,7
18,4
2,3
5,5
Wytrzymałość
na rozciąganie
[MPa]
812
1860
1016
850
Rys. 2 Charakterystyki naprężenie wydłużenie, z lewej wykres dla rovingu, z prawej dla liny
48
Moduł
sprężystości
[GPa]
76,8
100,3
38,9
34,4
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
Jak widać wyniki badań są zróżnicowane. Moduł sprężystości dla czystego rovingu wyniósł 76,8 GPa,
a dla liny 100,3 GPa. Są to wartości zbliżone do podawanych w innych źródłach. Inaczej przedstawiają się
wyniki dla taśm. Tutaj moduł sprężystości jest wyraźnie zaniżony i wyniósł tylko odpowiednio 38,9 GPa dla
taśmy 20 mm oraz 34,4 GPa dla taśmy 50mm. Prawdopodobnie jest to spowodowane innym ułożeniem włókien w taśmie, które przeplecione są z włóknami poprzecznymi. Powoduje to, iż włókna podłużne nie są całkowicie prostoliniowe.
Na rysunku nr 2 przedstawione są charakterystyki naprężenie – wydłużenie dla rovingu i liny.
Mimo dużej wytrzymałości na rozciąganie oraz pożądanych cech kompozytu BFRP, stosunkowo niski moduł sprężystości powoduje, iż wykorzystanie materiału jako głównego zbrojenia konstrukcyjnego staje się
ograniczone. Wydaje się, iż zbrojenie to będzie miało zastosowanie jako zbrojenie przeciwskurczowe w postaci siatek oraz zbrojenia rozproszonego, jako dodatkowe zbrojenie w elementach pochłaniających energię
np. barierach drogowych.
3. Włókna bazaltowe jako dodatek do betonu
Opis badań
Celem badań było określenie wpływu ciętych preparowanych włókien bazaltowych FiberbetTMSBF o długości 25mm, 35mm i 50mm, dodawanych do betonu, na cechy mieszanki betonowej i właściwości stwardniałego betonu. Wykonano 10 zarobów mieszanek betonowych – pierwszą jako beton porównawczy bez włókien,
a kolejnych 9 podzielonych na 3 serie. Każda seria dotyczyła włókien bazaltowych o określonej długości,
z różnymi poziomami dozowania włókien, wynoszącymi odpowiednio 1; 2 i 5 kg/m3.
Wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie metodą rozłupywania została określona po 7, 14, 56 i 90 dniach
dojrzewania, na podstawie badań wytrzymałościowych sześciennych próbek o boku 150 mm, po 3 kostki dla
każdego okresu dojrzewania. Próbki do badania pobierano z każdego zarobu mieszanki betonu i zagęszczano zgodnie z [2], następnie pozostawiono je przykryte folią na trzy doby, po tym czasie były rozformowywane i umieszczane w wannie z wodą o temperaturze 20 ± 2°C. Przed badaniem próbki były wyciągane
z wody, wytarte ręcznikiem do uzyskania matowej powierzchni, i następnie badane w maszynie wytrzymałościowej (z aktualnym świadectwem wzorcowania). Próby wytrzymałościowe były prowadzone zgodnie
z normą [3].
Rezultaty badań
Tablica 3 przedstawia podstawowe wyniki badań wytrzymałościowych w maszynie FORM TEST.
Tablica 3 Podstawowe wyniki badań wytrzymałościowych próbek
49
PT 2. Zaawansowane metody projektowania konstrukcji ze względu na trwałość, uwzględniające zasady zrównoważonego rozwoju
Rysunek nr 3 przedstawia graficzne porówanie wytrzymałości na rozciąganie betonu wzorcowego i betonu z dodatkiem włókien bazaltowych.
Rys. 3. Porównanie wytrzymałości na rozciąganie betonu wzorcowego i betonów z dodatkiem włókien bazaltowych FiberbetTMSBF
o długości 25, 35 i 50mm, w ilości 1, 2 i 5 kg/m3 betonu, po 28 dniach dojrzewania
Tablica 4 przedstawia wyniki pomiarów odkształceń skurczowych próbek betonowych.
Tablica 4. Odkształcenia skurczowe betonu
Symbol betonu
0
I-1
I-2
I-5
II-1
II-2
II-5
III-1
III-2
III-5
po 7 dniach
0,240
0,253
0,267
0,233
0,220
0,213
0,247
0,273
0,193
0,227
Skurcz mm/m
po 14 dniach
po 21 dniach
0,340
0,433
0,367
0,460
0,320
0,413
0,367
0,413
0,380
0,427
0,353
0,407
0,380
0,453
0,340
0,447
0,307
0,387
0,367
0,433
po 28 dniach
0,513
0,500
0,447
0,467
0,473
0,480
0,513
0,500
0,447
0,473
po 56 dniach
0,593
0,607
0,563
0,573
0,553
0,587
0,600
0,573
0,520
0,567
Obecność włókien bazaltowych nie wpływa w istotny sposób na wytrzymałościowe cechy betonu (tab. 3).
Utrzymują się one na zbliżonym poziomie, bez względu na ilość włókien dodaną do betonu i ich długość.
Dodatek włókien bazaltowych, jak wynika z badań (tab. 4), powoduje natomiast zauważalne, chociaż niewielkie, zmniejszenie odkształceń skurczowych. Najkorzystniejsze wyniki otrzymano przy dodatku włókien o długości 50 mm w ilości 2 kg/m3 mieszanki betonowej. Zwiększenie ilości tych włókien do 5 kg/m3 nie przyniosło już
oczekiwanych efektów w postaci dalszego ograniczenia odkształceń skurczowych, zaobserwowano nawet zwiększenie odkształceń w porównaniu z wynikami otrzymanymi dla mieszanki o zawartości włókien 2 kg/m3. Ta ostatnia uwaga dotyczy wszystkich trzech długości włókien, zastosowanych w badaniach.
Badania wykazały także korzystny wpływ dodatku włókien bazaltowych na mrozoodporność betonu, według obu zastosowanych metod badania mrozoodporności – klasycznej i w soli. Ten korzystny efekt ujawnił
się przy ilości włókien w betonie 2,0 i 5,0 kg/m3.
Nasiąkliwość betonów z dodatkiem włókien bazaltowych nieznacznie wzrasta, ale ciągle utrzymuje się
w granicach dopuszczalnych (np. dla kostek brukowych jest to 5%). Podobnie jest w odniesieniu do przepuszczalności wody przez beton, utrzymuje się ona na zbliżonym niewielkim poziomie we wszystkich zbadanych
betonach. Badania nie wykazały wpływu dodatku włókien bazaltowych na ścieralność betonu.
Literatura
[1]440.3R-04: Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymers (FRPs) for Reinforcing or Strengthening Concrete Structures
[2] PN-EN 12390-2: 2001 Badanie betonu. Część 3: Wytrzymałość na ściskanie próbek do badania.
[3] PN-EN 12390-3: 2009 Badanie betonu. Część 2: Wykonanie i pielęgnacja próbek do badań.
50
PT 3
Innowacyjne materiały budowlane
i metody ich projektowania
w aspekcie wymaganych
cech użytkowych i trwałości
PT 3. Innowacyjne materiały budowlane i metody ich projektowania w aspekcie wymaganych cech użytkowych i trwałości
Wpływ temperatury na przebieg procesu hydratacji
zaczynów cementowych
Ismena Gawęda – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]
Marek Jabłoński – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]
Dariusz Gawin – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]
1. Wprowadzenie
Jednym z zasadniczych obciążeń masywnych konstrukcji betonowych jest obciążenie termiczne, wywołane wewnętrznymi źródłami ciepła, powstałymi na skutek skomplikowanych zjawisk fizykochemicznych, zachodzących podczas procesu hydratacji cementu. Dlatego tak istotnym jest możliwie dokładny opis przebiegu procesu dojrzewaniu tworzyw cementowych na poziomie strukturalnym, w zależności od zadanych warunków brzegowych i początkowych.
Powszechnie wiadomym jest, że temperatura dojrzewania betonów i zapraw cementowych wpływa na ich
końcowe właściwości. Problem ten ma duże znaczenie praktyczne ze względu na zmiany klimatu na świecie,
różnice temperatur między dniem i nocą a przede wszystkim – egzotermiczny charakter przebiegu procesu
dojrzewania betonu. Temperatura wpływa na szybkość przebiegu reakcji hydratacji cementu, a przez to na
strukturę betonu i jego właściwości mechaniczne.
W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań przebiegu procesu hydratacji zaczynów cementowych
w różnych temperaturach. Dla wybranego cementu wyznaczono energię aktywacji z wykorzystaniem kalorymetrii izotermicznej.
2. Model matematyczny kinetyki procesu hydratacji cementu
Modele mechanistyczne bazują zwykle na termodynamice reakcji chemicznych, a szybkość procesu hydratacji wyrażona jest jako funkcja tzw. znormalizowanego powinowactwa chemicznego ~
AΓ [4, 8]. W opisie
tym szybkość postępu stopnia hydratacji Γhydr, można wyrazić następująco [2]:
(1)
gdzie Aµ oznacza znormalizowane powinowactwo chemiczne [-], t – czas [h], E – pozorna energia aktywacji procesu hydratacji [kJ/mol], R=8,314 – uniwersalna stała gazowa [J/ (mol K) ], T– temperatura dojrzewania [K],
– parametr wyrażający wpływ wilgotności względnej na szybkość hydratacji [-].
Wg pracy [2]:
(2)
natomiast wg [4]:
(3)
–
Parametry materiałowe A1, A2 i η wyznacza się z regresji wyników badań kalorymetrycznych. Wartość k
można określić np. z wykorzystaniem równania zaproponowanego przez Millsa [7]. Parametr a wg [4] przyjmuje wartość a~
=5. Z drugiej zasady termodynamiki można otrzymać ograniczenie na wartości tzw. parame–
tru „lepkości”: η>0, [4].
Wpływ temperatury na przebieg hydratacji cementu można opisać za pomocą tzw. funkcji temperatury,
która została wprowadzona do technologii betonu w 1956 r. na sympozjum RILEM w Kopenhadze, poświęconemu betonowaniu w okresie zimowym. Prace Byforsa [1] i Jonassona [5] wykazują, że spośród wszystkich funkcji dostępnych w literaturze najlepszą zgodność z eksperymentem daje funkcja, oparta na prawie
Arrheniusa i przybierająca postać:
(4)
k – współczynnik proporcjonalności, T, T – temperatura odniesienia i temperatura dojrzewania, [K].
52
PT 3. Innowacyjne materiały budowlane i metody ich projektowania w aspekcie wymaganych cech użytkowych i trwałości
Pełny opis modelu matematycznego kinetyki procesu hydratacji oraz zjawisk cieplno – wilgotnościowych
w dojrzewającym betonie oraz wyniki symulacji komputerowych udowadniające słuszność przyjętego modelu do opisu rzeczywistości przedstawiono w pracy [3].
3. Badania ciepła hydratacji w kalorymetrze izotermicznym
Wartości mocy wydzielanego ciepła hydratacji zaczynów cementowych uzyskano za pomocą kalorymetru
izotermicznego, zgodnie z normą ASTM C 1679-08. Dane te posłużyły do wyznaczenia przebiegów stopnia
hydratacji i szybkości hydratacji w funkcji czasu (Rys. 1). Otrzymane wyniki pozwoliły wyznaczyć współczyn–
niki A1, A2 i η w równaniu (2).
Rys. 1. Stopień hydratacji (a) i szybkość zmian stopnia hydratacji (b) w czasie dla cementu CEM V w różnych temperaturach.
4. Energia aktywacji. Wyniki badań doświadczalnych
Energia aktywacji jest ważnym parametrem charakteryzującym wpływ temperatury na kinetykę procesu
dojrzewania tworzyw cementowych. Sposoby jej doświadczalnego wyznaczania opisane są m. in. w pracy [6].
W niniejszej pracy podano wartości energii aktywacji betonu CEM V/A S-V 32,5, wyznaczone na podstawie badań własnych autorów z wykorzystaniem kalorymetrii izotermicznej. Analizę funkcji temperatury przeprowadzono w odniesieniu do szybkości zmian stopnia hydratacji w funkcji czasu dla różnych temperatur
(Rys. 1). Badania przeprowadzono dla cementu CEM V dojrzewającego w temperaturze 20oC, 30oC, 40oC
i 60oC, które posłużyły do wyznaczenia wartość energii aktywacji (Rys. 2). Z równania (1), przy założeniu
temperatury odniesienia T=20o, można otrzymać następującą zależność:
(5)
Rys. 2. Energia aktywacji w funkcji stopnia hydratacji dla cementu CEM V w różnych temperaturach.
53
PT 3. Innowacyjne materiały budowlane i metody ich projektowania w aspekcie wymaganych cech użytkowych i trwałości
5. Podsumowanie
Przeprowadzone przy użyciu techniki kalorymetrii izotermicznej badania posłużyły do wyznaczenia parametrów modelu matematycznego procesu hydratacji cementu, potrzebnych do analizy termicznej oraz symulacji komputerowych tego procesu, umożliwiających prognozowanie samorzutnego wzrostu temperatury w
dojrzewających masywach betonowych. Dzięki przeprowadzonym dotychczas doświadczeniom potwierdzono także, że temperatura dojrzewania – jako warunek początkowy w symulacjach komputerowych – ma duży wpływ na przebieg procesu hydratacji.
Literatura:
[1] Byfors J., Principles Underlying the Steam Curing of Concrete at Atmospheric Pressure, Magazin of Concrete Research, Nr 6/1951
[2] Cervera M., Olivier J., Prato T., A thermo-chemo-mechanical model for concrete. I: Hydration and aging, Journal of Engineering Mechanics ASCE, 1999, Vol. 125, s. 1018-1027.
[3] Gawęda I., Jabłoński M., Gawin D., Weryfikacja eksperymentalna modelu matematycznego procesu hydratacji cementu, Materiały Konferencyjne z XIII Polskiej Konferencji Naukowo – Technicznej Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce, Łódź 2011
[4] Gawin D., Pesavento F., Schrefler B. A., Hygro-thermo-chemo-mechanical modeling of concrete at early ages and beyond. Part I: Hydration
and hygro-thermal phenomena, International Journal for Numerical Methods in Engineering.
[5] Jonasson J. E., Modelling of Temperature, Moisture and Stresses in Young Concrete, Lulel University of Technology, Doctoral Thesis 1994:
153 D, 1994
[6] Kada-Benameur H., Wirquin E., Duthoit B., Determination of apparent activation energy of concrete by isothermal calorimetry, Cement and
Concrete Research, Nr 30/2000, s. 301–305
[7] Mills R. H., Factors influencing cessation of hydration in water cured cement pastes, Special Report No. 90, Proceedings of the Symposium
on the Structure of Portland Cement Paste and Concrete, Highway Research Board, Washington DC, USA, pp. 406-424, 1966.
[8] Ulm F-J, Coussy O., Modeling of thermo-chemo-mechanical couplings of concrete at early ages. Journal of Engineering Mechanics ASCE,
Vol. 121, 1995
[9] Witakowski P., Termodynamiczna teoria dojrzewania, Zeszyty naukowe PK, Nr 1, Kraków, 1998.
54
PT 3. Innowacyjne materiały budowlane i metody ich projektowania w aspekcie wymaganych cech użytkowych i trwałości
Kinetyka reakcji AAR – różne modele matematyczne,
wpływ temperatury i wilgotności
Andrzej Winnicki – Politechnika Krakowska Kraków, [email protected]
Filip Norys – Politechnika Krakowska Kraków, [email protected]
1. Wstęp
Reakcja ARR została opisana po raz pierwszy przez Stantona [1] jako przyczyna degradacji cech wytrzymałościowych betonu. Od tego czasu wielu badaczy rozpoczęło badania mające na celu ustalenie przebiegu
i przewidzenie skutków postępującej reakcji w odniesieniu do konstrukcji. Obecnie w literaturze istnieje duża liczba modeli opisujących to zachowanie. Niniejsza praca ma na celu przedstawienie, oraz porównanie wybranych modeli pod kątem wpływu czynników zewnętrznych, tj. temperatura, poziom wilgotności względnej
na tempo oraz skalę procesu. Wszystkie obliczenia prowadzone są na poziomie punktu materialnego, na modelach skalibrowanych względem danych doświadczalnych pochodzących z literatury.
Modele kinetyki reakcji
Reakcja AAR jest procesem wieloetapowym, w efekcie którego powstaje hydrofilowy żel. Produkt reakcji
ma silną zdolność do absorpcji wody i charakteryzuje się zwiększaniem swojej objętości w stosunku do objętości reagentów. Do określenia przebiegu reakcji w czasie stosuje się bezwymiarową zmienną? zwaną stopniem zaawansowania reakcji, określającą stosunek pomiędzy aktualnym, a maksymalnym możliwym przyrostem objętości żelu. Rozwój zmiennej? opisuje się równaniem kinetycznym, czyli równaniem różniczkowym
opisującym zmiany stężenia molowego substratów w czasie zachodzenia reakcji. Rozważono trzy modele kinetyki reakcji AAR: model wg Hobbs'a [2], model wg Larive [3], model wg Huang'a [4]
Powyższe modele zostały poddane analizie uwzględniającej wpływ różnych historii obciążenia temperaturowego, oraz różnym poziomie wilgotności względnej. Rozważono przebiegi o ustalonych oraz periodycznie
zmiennych wartościach. W wyniku przeprowadzonej analizy otrzymano wyniki zgodne z eksperymentem.
Uwypuklony został silny wpływ temperatury na tempo zachodzenia procesu. Temperatury wyższe w stosunku do temperatury referencyjnej znacznie przyśpieszają reakcję, niższe spowalniają. Różne poziomy wilgotności względnej wpływają zarówno na tempo oraz skalę efektów procesu. Dla przebiegów periodycznych
szczególne znaczenie ma wartość temperatury szczytowej i czas jej utrzymywania, z kolei poziom wilgotności względnej skaluje przyrost w danym okresie.
Dla ustalonych warunków zewnętrznych reakcja dzieli się na trzy etapy: inkubację, silny wzrost i wygaszanie. Model zaproponowany przez Hobbs'a obrazuje krzywa eksponencjalna przesunięta na osi rzędnych o wartość? 0, pominięta zostaje faza przyrostu stopnia zaawansowania reakcji w fazie inkubacji. Model Larive przedstawia krzywa sigmoidalna zdolna do uchwycenia wszystkich trzech jej etapów. W modelu Huang'a zastosowano w odróżnieniu od poprzednich opisów równanie kinetyki reakcji II rzędu, co skutkuje łagodniejszą krzywą. Dla dużych gradientów temperatury aktualnej w stosunku do referencyjnej
wszystkie opisy dają zbliżone rezultaty, co związane jest z krótkim okresem inkubacji. Z kolei dla niedużych gradientów w wynikach pojawiają się różnice, głównie w zakresie 0 <? < 0.5. Następnym etapem badań będzie analiza MES przy wykorzystaniu opisanych modeli, sprzęgająca pole naprężeń z polem temperaturowym oraz polem opisującym rozkład wilgoci.
Literatura:
[1] STANTON D. E., The Expansion of concrete through reaction between cement and aggregate, Proc. ASCE, 66, 1781-1811, 1940
[2] HOBBS D. W., Alkali-silica reaction in concrete Thomas Telford, London, UK, 1988.
[3] LARIVE C.: Apports combines de l'experimentation et de la modelisation a la comprehension de l'alcali reaction et de ses effects mecanigues. Monograph LPC, OA 28, 1998
[4] HUANG M.: Modeling of thermomechanical effrcts of alkali-silica reaction, Journal of Engineering Mechanics, ASCE, April 1999
55
PT 3. Innowacyjne materiały budowlane i metody ich projektowania w aspekcie wymaganych cech użytkowych i trwałości
Mechaniczno-chemiczny model degradacji żelbetu
w warunkach agresywnych
Adam Zybura – Politechnika Śląska Gliwice, [email protected]
Tomasz Krykowski – Politechnika Śląska Gliwice, [email protected]
Tomasz Jaśniok – Politechnika Śląska Gliwice, [email protected]
Barbara Słomka-Słupik – Politechnika Śląska Gliwice, [email protected]
Zofia Szweda – Politechnika Śląska Gliwice, [email protected]
Mariusz Jaśniok – Politechnika Śląska Gliwice, [email protected]
1. Wprowadzenie i zakres badań
Celem badań jest opracowanie modelu teoretycznego i numerycznego do wyznaczania stanu naprężenia
w układzie korodujące zbrojenie-beton konstrukcji żelbetowych wraz z określeniem koniecznych parametrów
materiałowych. Osłabienie mikrostruktury otulenia betonowego może być spowodowane procesem dekalcyfikacji wywołanym jonami amonowymi, natomiast korozja stali – zmianami zachodzącymi w otulinie,
a przede wszystkim potencjałotwórczymi jonami chlorkowymi. Wymienione jony występują w ściekach przemysłowych, które kontaktują się z żelbetowymi obiektami ochrony środowiska.
W celu ustalenia danych do modelu teoretycznego określone zostały zmiany mikrostruktury zaczynu cementowego poddanego działaniu wodnego roztworu soli amonowej. Określono wzrost porowatości oraz przemiany
fazowe. W kolejnym kroku opisano przepływ jonów chlorkowych w cieczy porowej betonu pod wpływem sił pola elektrycznego, oraz wyznaczono miarodajny współczynnik dyfuzji. Wartość współczynnika obliczono na podstawie badań doświadczalnych na próbkach z betonu zwykłego oraz wysokowartościowego. Weryfikację uzyskanych wyników przeprowadzono porównując wyniki obliczeń z empirycznym rozkładem stężenia jonów Cl-.
W następnym kroku zasadniczego modelu teoretycznego wprowadzony zostanie wpływ zmian temperatury
oraz wilgotności betonu. Badania szybkości korozji będą prowadzone metodami polaryzacyjnymi LPR i EIS z wykorzystaniem komory korozyjnej zapewniającej zadane parametry środowiska. Temperatura i wilgotność betonu
przy powierzchni zbrojenia będzie mierzona urządzeniami zewnętrznymi niezależnymi od komory korozyjnej. Ze
względu na złożony charakter wilgotności betonu parametr ten będzie mierzony kilkoma niezależnymi metodami
– za pomocą zabetonowanego w próbce naczyńka konduktometrycznego, metodą dwupunktową i metodą EIS.
2. Przebieg badań
Model mechanicznego pękania otuliny pod wpływem produktów korozji zbrojenia
Model elektrochemiczno-termomechaniczny procesów korozji bazuje na teorii ośrodków wieloskładnikowych. Założono, że odkształcenia dystorsyjne spowodowane przez produkty korozji zależą od funkcji natężenia prądu korozyjnego. Funkcja ta jest traktowana w modelu termomechanicznym jako parametr wewnętrzny [1]. Przyjęto, że opis procesu korozji wymaga uwzględnienia sześciu składników. Te składniki to
szkielet, substancja agresywna, woda, para wodna, substraty i produkty reakcji elektrochemicznej. Założono,
że jedynie pomiędzy wodą i parą wodną oraz substratami i produktami reakcji elektrochemicznej dochodzi
do reakcji chemicznych. Do opisu odkształceń dystorsyjnych w otulinie zaproponowano model warstwy
przejściowej [2]. Model ten zakłada, że pomiędzy betonem a zbrojeniem istnieje warstwa przejściowa, która
w momencie inicjacji procesu korozji może lokalnie w miejscu powstania ogniska korozji zwiększać swoją
objętość. Weryfikacja poprawności modelu została wykonana przy pomocy specjalnie napisanych programów własnych jak również programów profesjonalnych pozwalających na modelowanie transportu masy
oraz pękania otuliny betonowej z wykorzystaniem MES [2]. Wyniki obliczeń porównano z dostępnymi wynikami badań doświadczalnych. W obliczeniach czasu degradacji otuliny wykorzystano teorie plastyczności.
W kolejnych etapach zostaną uwzględnione procesy transportu wilgoci i ciepła oraz ich wpływ na transport
substancji agresywnej, ewolucje natężenia prądu korozyjnego oraz czas degradacji otuliny betonowej.
Badania dekalcyfikacji betonu
Badania dekalcyfikacji wykonano w zaczynie cementowym, który jest najbardziej reaktywnym składnikiem betonu. Próbki zaczynów z cementów siarczanoodpornego, portlandzkiego zwykłego i hutniczego pod-
56
PT 3. Innowacyjne materiały budowlane i metody ich projektowania w aspekcie wymaganych cech użytkowych i trwałości
dano działaniu roztworu chlorku amonu, który powoduje wzrost porowatości zaczynu oraz zagrożenie korozji zbrojenia. Badania wykonano skaningowym mikroskopem elektronowym określając zmiany porowatości
oraz dyfraktometrem rentgenowskim wyznaczając zmiany faz stałych [3, 4]. Stwierdzono, że wapń został wyrugowany z pierwotnych faz krystalicznych, co przyczyniło się do ich rozpuszczenia i powiększenia porowatości zaczynu [5, 6].
Badania dyfuzji jonów chlorkowych w betonie
Wykonano badania migracji jonów Cl- w betonach klasy C12/15 i C45/55 oraz wyznaczono rozkłady stężenia chlorków. Określono teoretyczny model migracji w polu elektrycznym tych jonów, otrzymując równanie przepływu. Następnie oszacowano analityczne wartości miarodajnego współczynnika dyfuzji na podstawie sformułowanego zadania odwrotnego równania przepływu w polu elektrycznym stosując wyniki badań
doświadczalnych. Wyznaczony z badań migracyjnych miarodajny współczynnik dyfuzji zweryfikowano wynikami dyfuzji swobodnej. W kolejnym etapie badań współczynnik dyfuzji jonów chlorkowych zostanie wyznaczony w betonie wysokowartościowym.
Badania szybkości korozji zbrojenia i przewodności betonu
Wykonano cylindryczne próbki betonowe zawierające zbrojenie w postaci pojedynczego pręta średnicy
6 mm ze stali gatunku BSt500. Ponadto w próbce umieszczono chlorosrebrową elektrodę odniesienia oraz
elektrodę pomocniczą w postaci pasma blachy ze stali nierdzewnej. Każda próbka zawierała układ trójelektrodowy umożliwiający określenie szybkości korozji metodami elektrochemicznymi – LPR i EIS. Dodatkowo w próbkach umieszczono czujnik temperatury. Próbki eksponowano w roztworze zawierającym jony
chlorkowe do rozpoczęcia procesów korozyjnych na powierzchni stali zbrojeniowej. Następnie próbki
umieszczono w komorze korozyjnej, która umożliwia stabilizację temperatury zewnętrznej i wilgotności powietrza. Wykonane pomiary pozwoliły określić wpływ wymienionych parametrów środowiskowych na szybkość korozji zbrojenia w funkcji temperatury betonu.
3. Osiągnięte cele, wyniki, rezultaty
Zrealizowano pierwszy kamień milowy przeprowadzając planowane badania dekalcyfikacji zaczynu pod
wpływem roztworu NH4Cl. Stosując elektronowy mikroskop skaningowy wraz z programami komputerowymi określono zmiany nieciągłości mikrostruktury, natomiast towarzyszące przemiany faz stałych wyznaczono dyfraktometrem rentgenowskim. Dalsze badania przepływów chlorków w betonie obejmowały model migracji tych jonów w polu elektrycznym i na podstawie uzasadnionych tym modelem pomiarów wyznaczenie
miarodajnego współczynnika dyfuzji. Szybkość korozji zbrojenia określono elektrochemicznymi pomiarami
polaryzacyjnymi. Wszystkie zmiany korozyjne prowadzące do pękania otuliny zbrojenia ujęto modelem mechanicznym opracowanym z zastosowaniem MES.
Literatura:
[1] KRYKOWSKI T.: FEM modeling of rebar corrosion – numerical verification of experimental research. Civil and Environmental Engineering
Reports, vol. 5, s. 205–218, 2010.
[2] KRYKOWSKI T.: FEM modeling of rebar corrosion – experimental verification of the numerical model. 7th International Conference Analytical Models and New Concepts in Concrete and Masonry Structures AMCM 2011. June 13–15, 2011 Kraków, s. 277–278 oraz materiały na CD.
[3] SŁOMKA-SŁUPIK B., ZYBURA A.: O mechanizmie uszkodzenia mikrostruktury matrycy cementowej betonu i obiektów oczyszczalni ścieków przemysłowych. Przegląd budowlany, nr2, 2010, s. 41–44.
[4] SŁOMKA-SŁUPIK B., ZYBURA A.: Zmiany mikrostruktury zaczynu poddanego dekalcyfikacji. Cement, wapno, beton, nr 6, 2010,
s. 333–339.
[5] SŁOMKA-SŁUPIK B., ZYBURA A.: Doświadczalne badania dekalcyfikacji zaczynu cementowego. Konferencja dni betonu, Wisła, 2010,
s. 787–796.
[6] SŁOMKA-SŁUPIK B., ZYBURA A.: Badanie postępu korozji zaczynu z cementu siarczanoodpornego w roztworze NH4Cl. VI Konferencja
Naukowo-Techniczna „Zagadnienia materiałowe w inżynierii lądowej”, Matbud'2011, Kraków, 2011, s. 370-377.
57
PT 3. Innowacyjne materiały budowlane i metody ich projektowania w aspekcie wymaganych cech użytkowych i trwałości
Modelowanie odkształceń wywołanych
reakcją alkalia-krzemionka za pomocą ciśnienia żelu
Witold Grymin – Politechnika Łódzka Łódź, [email protected]
Dariusz Gawin – Politechnika Łódzka Łódź, [email protected]
Francesco Pesavento – Universita’ di Padova, Padova, Włochy, [email protected]
1. Wstęp
Na przestrzeni ostatnich lat opracowano szereg modeli matematycznych opisujących wpływ różnych
substancji chemicznych na wytrzymałość konstrukcji betonowych. Zjawiskiem, któremu ze względu na
kosztowność zabiegów przeciwdziałających poświęcono szczególnie dużo uwagi, jest reakcja alkalia-krzemionka (ASR – ang. alkali-silica reaction). Większość modeli tego procesu oparta jest na podejściu fenomenologicznym. Przedstawiony makroskopowy model matematyczny zawiera liczne elementy podejścia
mechanistycznego. Bierze pod uwagę wpływ temperatury i wilgotności, ich ewolucję w czasie, a także
wpływ zmian wilgotności żelu podczas wysychania, na postęp reakcji ASR i odkształceń przez nią wywołanych.
2. Model matematyczny
Prezentowany model matematyczny bazuje na mechanice ośrodków porowatych, zastosowanej do opisu
zjawisk cieplno-wilgotnościowych w dojrzewającym betonie [1]. Uwzględnia on sprzężenie zjawisk higro-termicznych i chemicznych oraz ewolucję parametrów określających strukturę wewnętrzną materiału. Model
matematyczny składa się z czterech równań bilansu: masy suchego powietrza, wody, energii wewnętrznej
i momentu pędu, w których zmiennymi stanu ośrodka są: ciśnienie gazu (pg), ciśnienie kapilarne (pc), temperatura (T) oraz wektor przemieszczeń (u). Postęp reakcji
jest dodatkową zmienną wewnętrzną,
opisaną równaniem:
(1)
gdzie
jest parametrem materiałowym [2], β równe jest tr/ta(w [2] przyj-mowano
tę zależność dla stałych warunków cieplno-wilgotnościowych),
oznacza postęp tworzenia
się żelu, tr jest charakterystycznym czasem reakcji, zaś ta oznacza czas starzenia [2].
Badania przeprowadzone przez Ben Haha [3] wykazały, że odkształcenia ASR są proporcjonalne do masy żelu występującego w materiale. Przyjęto więc, iż ciśnienie żelu jest proporcjonalne do całkowitej masy
wody zwią-zanej przez żel:
(2)
gdzie
jest parametrem materiałowym.
Odkształcenia betonu opisane są w funkcji naprężeń efektywnych, w wyniku czego otrzymujemy zależność:
(3)
przy czym D jest macierzą sztywności materiału,
oznaczają kolejno odkształcenia całkowite, pełtot
zania i termiczne, t jest tensorem naprężeń całkowitych, pg, pc – odpowiednio ciśnieniem gazu i kapilarnym, x– powierzchnią szkieletu, w którym zachodzi reakcja ASR, będącego w kontakcie z wodą, x-– współczynnikiem Biota, I jest natomiast tensorem jednostkowym drugiego rzędu.
Wraz z postępem reakcji ASR zmianom podlegają parametry określające strukturę wewnętrzną materiału. Eks-perymenty przeprowadzone przez Poyet [4], dotyczące ewolucji odkształceń ASR oraz zmian względnej zawar-tości wody w próbkach poddawanych cyklicznym zmianom wilgotności, wskazują na zmiany izo-
58
PT 3. Innowacyjne materiały budowlane i metody ich projektowania w aspekcie wymaganych cech użytkowych i trwałości
termy sorpcji w kolejnych cyklach doświadczenia. Przyjęto następujące równanie opisujące ewolucję tego parametru:
(4)
gdzie
oraz
są odpowiednio izotermami sorpcji materiału w pełni przereagowanego oraz niepoddanego reakcji ASR. Dla zakresu temperatur analizowanych w ramach reakcji ASR wpływ temperatury na izotermę sorpcji może zostać pominięty.
Badania przeprowadzone przez Torrijos i in. [4] wskazują również na zmiany przepuszczalności materiału jako rezultat powstawania pęknięć w materiale oraz tworzenia się żelu. W prezentowanym modelu przepuszczalność opisana jest wzorem:
(5)
gdzie k0 oznacza przepuszczalność materiału nieprzereagowanego oraz nieuszkodzonego mechanicznie,
, gdzie
jest przepuszA oraz Ad – parametry materiałowe, przy czym wartość AΓ jest równa
czalnością materiału w pełni przereagowanego oraz nieuszkodzonego mechanicznie, Ad natomiast równe jest
, gdzie
jest przepuszczalnością materiału w pełni przereagowanego oraz
uszkodzonego mechanicznie (d=1).
3. Wyniki symulacji
Rys. 1. Porównanie odkształceń spowodowanych reakcją ASR, otrzymanych w wyniku symulacji numerycznych, z danymi eksperymentalnymi [5] w warunkach zmiennej wilgotności (cykle 28- dniowe).
Przy użyciu przedstawionego model matematycznego wykonano symulacje numeryczne doświadczeń,
których wyniki dostępne są w literaturze, m. in. eksperymentu przeprowadzonego przez Poyet [5]. Próbki cementowe poddawane były w nim zmiennym warunkom wilgotnościowym (na przemian 59% oraz 96% w cyklach 14- i 28-dniowych). Uzyskano dobrą zgodność wyników symulacji z pomiarami eksperymentalnymi.
Wyniki symu-lacji wskazują, że prezentowany model matematyczny umożliwia prognozowanie postępu reakcji ASR w kom-pozytach cementowych w zmiennych warunkach cieplno-wilgotnościowych z zadowalającą
dokładnością (Rys. 1). Kontynuowane są prace nad uwzględnieniem wpływu obciążeń zewnętrznych oraz
anizotropii właściwości i odkształceń wywołanych przez ASR.
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.
[2] STEFFENS A., LI K., COUSSY O. Ageing Approach to Water Effect on Alkali-Silica Reaction. Degrada-tion of Structures. Journal of Engineering Mechanics 129 (2003) 50–59.
[3] BEN HAHA M. Mechanical effects of alkali silica reaction in concrete studied by SEM-image analysis. PhD Thesis. Lausanne: École Polytechnique Fédérale de Lausanne EPFL.
[4] TORRIJOS M. C., GIACCIO G., ZERBINO R. Internal cracking and transport properties in damaged con-cretes. Materials and Structures 43 (2010) 109–121.
[5] POYET S. Etude de la dégradation des ouvrages en béton atteints de la réaction alcali-silice: approche expérimentale et modélisation numérique multiéchelle des dégradations dans un environnement hydrochemo-mécanique variable. PhD. thesis, University of Marne la Vallée, France, 2003.
59
PT 3. Innowacyjne materiały budowlane i metody ich projektowania w aspekcie wymaganych cech użytkowych i trwałości
Wpływ wybranych środków napowietrzających
na porowatość, wytrzymałość i mrozoodporność betonu
Piotr Konca – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]
Marcin Koniorczyk – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]
1. Wstęp
Zapewnienie niezawodności konstrukcji betonowych przez założony okres eksploatacji jest najważniejszym celem procesu budowlanego. Oczekuje się, że dany materiał będzie spełniał swoje funkcje wtedy, gdy
stopień jego trwałości będzie przewyższał wymagania stawiane mu przez określone warunki środowiska. Złożoność zagadnienia mrozoodporności betonu polega m. in. na tym, że jej ocena ma charakter względny i zależy od czynników wewnętrznych związanych ze strukturą betonu oraz intensywności działania czynników
zewnętrznych środowiska. Mrozoodporność jest funkcją wielu zmiennych, o mniej lub bardziej losowym charakterze, a przewidywanie jej jest często działaniem mało precyzyjnym.
Badanie mrozoodporności betonu przeprowadza się przy zastosowaniu metod polegających na cyklicznym zamrażaniu i rozmrażaniu próbek betonu w wodzie lub roztworze soli.
Praca powstała przy współpracy z firmą Mosty – Łódź, która udostępniła skład i składniki mieszanki betonowej. Wykonano dwie serie betonów różniących się rodzajem cementu, zastosowanego napowietrzacza
oraz składem granulometrycznym kruszywa bazaltowego. Zastosowano dwa wybrane środki napowietrzające, opierające się na zasadniczo różnych bazach chemicznych. Dozując różne ilości domieszek napowietrzających zbadano ich wpływ na cechy fizyko-mechaniczne betonów używanych w drogownictwie.
Instytut Technologii Eksploatacji wykonał program do analizy obrazu, stworzony przy współpracy Politechniki Łódzkiej, pozwalający określić rozkład i wielkość porów powietrznych. Narzędzie to posiada wiele
użytecznych funkcji jest nadal rozwijany. Opiera się na analizie obrazów w odpowiednio wysokich rozdzielczościach. Ponieważ dostępny jest kod źródłowy możliwa jest jego modyfikacja pozwalająca na prowadzenie
analiz badawczych, a nie tylko określanie parametrów normowych zgładów betonowych.
2. Badanie odporności betonu na działanie mrozu.
W pracy wykorzystano dwie różne metody badawcze. Zastosowano metodę kostkową wg PN B-06250:
1988, gdyż pozwalała ona na ocenę odporności betonu na działanie mrozu, uwzględniając zarówno stopień
wewnętrznego zniszczenia betonu, charakteryzowany przez wytrzymałość próbki, jak również destrukcje zewnętrzne, określone wizualnie i ubytkiem masy próbki.
Właściwe badanie obejmowało 150 cykli zamrażania-odmrażania. Po ukończeniu 150 cykli zbadano wytrzymałość na ściskanie próbek na prasie hydraulicznej. Drugą metodą było badanie odporności na powierzchniowe łuszczenie betonu stwardniałego (metoda referencyjna). Badanie to 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. Do badań wykorzystano próbki sześcienne o boku 150 mm. Z sześcianów
wycięto prostopadle do powierzchni wylewanej właściwe próbki do badania o wymiarach 150x150x75 mm. Do
wszystkich próbek zostały przymocowane wcześniej przygotowane styropianowe ramki.
Tablica 1. Wytrzymałość betonu oraz masa złuszczonego materiału
Oznaczenie
próbki
LPSV 1
LPSV 2
LPSV 3
LPSV 4
LPSA 7
LPSA 8
LPSA 9
LPSA 10
Ilość
napowietrzacza
w stosunku do
masy cementu
LPSV 0,0%
LPSV 0,1%
LPSV 0,2 %
LPSV 0,3%
LPSA 0,0%
LPSA 0,1%
LPSA 0,2%
LPSA 0,3%
Próbki nie
zamrażane fcm
[N/mm2]
Próbki po
150 cyklach fcm
[N/mm2]
Spadek
wytrzymałości
[%]
82,2
73,3
74,9
71,8
69,1
58,5
52,8
44,6
56,5
59,3
62
41,2
40,3
56,4
52,6
39,9
31,3
22,4
17,2
42,6
41,7
3,6
0,4
10,5
60
Masa złusz.
materiału Sn
po 56 cyklach
[kg/m2]
0,741
0,165
0,838
0,838
0,076
0,072
0,307
0,051
PT 3. Innowacyjne materiały budowlane i metody ich projektowania w aspekcie wymaganych cech użytkowych i trwałości
3. Wnioski
Ocena mrozoodporności betonu, wobec braku dostatecznej wiedzy o zachowaniu się konstrukcji betonowych pracujących w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych, opiera się głównie na wynikach laboratoryjnych, w których faktycznie ocenia się stopień odporności próbek betonowych na oddziaływanie pewnych
ustalonych warunków środowiska. Analiza wyników badań przeprowadzonych różnymi metodami wskazuje,
że wyniki te często są ze sobą rozbieżne i trudne do porównania.
Stosowana w pracy metodyka badań mrozoodporności betonu bazowała głównie na oznaczeniach: wytrzymałości na ściskanie oraz ilości złuszczonego materiału po cyklach zamrażanie-odmrażanie. Na szczególne podkreślenie zasługuje sposób wyznaczania zawartości powietrza w betonie stwardniałym – parametru
bardzo ważnego dla oceny mrozoodporności, zwłaszcza w przypadku oceny jakości betonów napowietrzonych.
Przekroczenie zawartości 0,3 % napowietrzacza w betonach LPSV 4 spowodował samo odpowietrzenie
betonu i sedymentację składników, a w betonie LPSA 10 zbyt dużą zawartość powietrza 12,5%. w świeżej mieszance betonowej Skutkowało to w tym drugim przypadku spadkiem wytrzymałości o 35% w stosunku do betonu nie napowietrzanego.
Stosowanie napowietrzacza LPSV powoduje mniejsze spadki wytrzymałości na ściskanie przy napowietrzaniu, jednak większe spadki mrozoodporności. Dla najlepszego pod tym względem betonu LPSV3 spadek
wytrzymałości na ściskanie po 150 cyklach zamrażania rozmrażania wynosił 17,5%, ale dla tej próbki zanotowano największą ilość złuszczonego materiału Sn= 0,838 kg/m2. Betony napowietrzane LPSA spełniały kryteria mrozoodporności pod tym względem. W przypadku próbek LPSA 8 odnotowano najmniejszą ilość
złuszczonego materiału przy jednocześnie niskim spadku ok. 3% wytrzymałości po cyklach zamrażania rozmrażania.
Na podstawie wyników przeprowadzonych badań można stwierdzić, że przy założonym składziew mieszanki betonowej lepszym rozwiązaniem jest stosowanie domieszek napowietrzających na bazie żywic korzennych Sika LPSA w ilości środka napowietrzającego 0,1%. Betony o takim składzie wykazały stosunkowo
umiarkowane spadki wytrzymałości i niewielkie złuszczenie powierzchni betonu w porównaniu do pozostałych próbek. Producent zaleca stosowanie tej domieszki od 0,03 do 0,2% i wydaje się, że jest to optymalna
ilość.
Na podstawie rozkładu i wielkości porów powietrznych beton wg autorów optymalny LPSA8 charakteryzuje się następującymi parametrami: całkowita zawartość powietrza A 6,4%; powierzchnia właściwa porów
powietrznych α 27,4 [mm-1]; wskaźnik rozmieszczenia L 0,12 [mm]; zawartość porów A300 0,6 [%]
Spadek właściwości mechanicznych niesie ze sobą wzrost ilości złuszczonego materiału. Badania wykazały również, że stosowanie betonów nawet o zbliżonym składzie powinno być poprzedzone odpowiednimi badaniami laboratoryjnymi w celu określenia ich wytrzymałości na ściskanie oraz przydatności w różnych warunkach działania mrozu z lub bez działania soli odladzających. W celu uzyskania dokładnej wiedzy należy
kontynuować badania nad wpływem domieszek napowietrzających na właściwości betonów, wykorzystując
w nich większą ilość różny serii betonów, domieszek napowietrzających, cementów i kruszyw.
Literatura:
[1] Jamroży Z., Beton i jego technologie, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2005
[2] Neville A. M., Właściwości betonu, Polski Cement sp. z o. o., Kraków 2000
[3] Powers T. C., Resistance to weathering, freezing and thawing, ASTM sp. techn. Publ. Nr 169 1956
[4] Rusin Z., Technologia betonów mrozoodpornych, Polski Cement sp. z o. o., Kraków 2002
[5] Collins A. R., Discussion on: A working hypothesis for further studies of frost resistance of concrete by T. C. Powers, J. Amer. Cocnr. Inst. 1945
[6] Perenchio W. F., Kress V., Breitfeller D., Frost lenses? Sure. But in concrete? Concrete International 1990
[7] Kurdowski W. Chemia cementu, PWN, Warszawa 1991
61
PT 4
Recykling materiałów
i elementów budowlanych,
materiały alternatywne
PT 4. Recykling materiałów i elementów budowlanych, materiały alternatywne
Betony konstrukcyjne na kruszywach z recyklingu
Alina Kliszczewicz – Politechnika Śląska w Gliwicach, Gliwice, [email protected]
Problem odpowiedniego zagospodarowania odpadów betonowych z rozbiórki i remontów obiektów
budowlanych, a także odpadów powstających przy produkcji prefabrykatów nie jest w kraju rozwiązany.
Polskie przepisy normowe zarówno w zakresie badania właściwości kruszyw, wymagań stawianym betonom,
a także normy do projektowania konstrukcji z betonu nie podają żadnych wskazówek do projektowania.
Brakuje również praktycznych informacji o zasadach klasyfikacji odpadów z betonu, sposobach
przygotowania kruszywa z gruzu betonowego i możliwościach wykonania z tych kruszyw betonów
konstrukcyjnych.
Recykling betonu mający na celu pozyskanie kruszyw do betonów konstrukcyjnych jest w naszym kraju
od pewnego czasu wyrywkowo badany. Mają również miejsce zastosowania przekruszonego betonu, jednak
w przewadze w drugorzędnych obszarach.
Obecnie na całym świecie prowadzone są badania związane z recyklingiem betonu, jednak są one w
znacznym stopniu związane z potrzebami regionalnymi i nie zawsze można je bezpośredniego przełożyć na
warunki krajowe.
W Polsce w ostatniej dekadzie wzrosło zainteresowanie wtórnymi materiałami budowlanymi, a zwłaszcza
betonem - brakuje bowiem przede wszystkim kruszyw, ale również materiałów na podbudowy i nawierzchnie
drogowe.
Problem optymalnego wykorzystania gruzu betonowego z rozbiórki konstrukcji z betonu jest od dłuższego
czasu przedmiotem badań i zdecydowanych działań w krajach wysoko uprzemysłowionych. Dane światowe
o ilości betonu rozbiórkowego zawierają oszacowania dość zgrubne. Świadczą jednak o tym, że są to duże
ilości, np. w roku 2000 łączna masa odpadów betonowych w świecie oceniana była już na około prawie
1,2 mld ton.
Na szeregu konferencjach, sympozjach i kongresach, obejmujących konstrukcje z betonu, przewija się
tematyka betonów na kruszywach wtórnych.
Na podstawie wyników badań prowadzonych w szeregu krajach stwierdza się, porównując betony na
kruszywach wtórnych z analogicznymi betonami na kruszywach naturalnych, nieco gorsze właściwowości
betonów na kruszywach wtórnych. Właściwości te różnią się w niejednakowym stopniu. Szczególnie
korzystne wyniki uzyskiwane są przy stosowaniu kruszyw wtórnych z betonów wysokiej wytrzymałości.
W ramach Tematu PT4.1 przewiduje się między innymi badania właściwości betonów i elementów z
betonów na kruszywach wtórnych pozyskanych ze starych wyeksploatowanych betonów o nieznanych
właściwościach pod kątem możliwości ich zastosowania ich do nowych konstrukcji. Badania te są
kontynuacją prac prowadzonych w Katedrze Inżynierii Budowlanej w zakresie podstawowych właściwości
betonów, a także zachowania się prostych elementów konstrukcyjnych (belki i słupy krępe) z betonów na
kruszywach pozyskanych z betonów laboratoryjnych o znanych właściwościach. Badane również będzie
zachowanie się próbek i elementów z betonów na kruszywach wtórnych pod obciążeniem długotrwałym.
64
PT 4. Recykling materiałów i elementów budowlanych, materiały alternatywne
Trwałość mieszanek mineralno-cementowo-emulsyjnych
w nawierzchniach drogowych
Antoni Szydło – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected]
Łukasz Skotnicki – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected]
Jarosław Kuźniewski – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected] wroc.pl
1. Opis problemu
W ramach Pakietu Tematycznego PT4 – Recykling materiałów i elementów budowlanych, materiały alternatywne, realizowany jest temat PT4-2 "Recykling istniejących nawierzchni drogowych, powtórne wykorzystanie odzyskanych materiałów-prognozowanie ich trwałości". W Polsce istnieje ponad 360 000 km dróg
o nawierzchni utwardzonej z których większość utraciła nośność. Wobec malejących zasobów materiałów naturalnych lub ich drastycznego braku w większości regionów Polski, powstaje problem powtórnego wykorzystania istniejących materiałów wbudowanych w zdegradowane nawierzchnie drogowe. Podstawowym celem
realizowanego tematu badawczego PT4.2 jest opracowanie procedur badań i oceny trwałości zmęczeniowej
materiałów odzyskanych z istniejących nawierzchni drogowych i powtórnie scalonych w technologii na zimno za pomocą spoiw asfaltowych i cementowych. W przypadku spoiw asfaltowych przewiduje się stosowanie
emulsji asfaltowych oraz asfaltu spienionego. W ramach tematu przewiduje się badanie cech fizycznych i wytrzymałościowych a w szczególności badania zmęczeniowe powstałych konglomeratów. Badania zmęczeniowe pozwolą na opracowanie kryteriów wymiarowania nawierzchni drogowych a w konsekwencji pozwoli to
na ocenę trwałości zmęczeniowej tych materiałów powtórnie wbudowanych w nawierzchnie drogowe. Ponadto w ramach tematu przewiduje się opracowanie modeli nawierzchni drogowych zawierających recyklowane
materiały wraz z identyfikacją parametrów opisujących te modele. Metody identyfikacji parametrów opisujących modele są również przedmiotem studiów w pracy. Wykorzystując te dane możliwe będzie projektowanie grubości warstw zawierających materiały recyklowane stosownie do prognozowanego natężenia ruchu.
Aktualnie przeprowadzono analizę uszkodzeń nawierzchni, scharakteryzowano te uszkodzenia oraz podano
ich przyczynę. Stwierdzono, że żaden charakter uszkodzeń nie ogranicza stosowalności materiału do powtórnego wykorzystania. Dokonano przeglądu literatury oraz norm szczególnie europejskich. Stwierdzono brak
kryteriów oceny recyklowanych materiałów w tym kryteriów zmęczeniowych. Opracowano koncepcję stanowiska badawczego do badań zmęczeniowych oraz zaproponowano metody badań. Przeprowadzone wstępne
badania w laboratorium wykazały, że istotnym problemem jest optymalny dobór asfaltu i cementu do scalania recyklowanych materiałów. Ponadto stwierdzono, że materiały te zmieniają swoje właściwości w przypadku oddziaływania na nie różnego pola temperatur. Zakres oraz czas oddziaływania temperatur należy dobrać
stosownie do temperatur występujących w nawierzchniach drogowych podczas całego roku. Oprócz badań
laboratoryjnych mieszanek mineralno- cementowo-emulsyjnych prowadzone są równocześnie obserwacje zachowania się tych materiałów w nawierzchniach drogowych. Na jednej z ulic miasta Wrocławia (Avicenny)
w uzgodnieniu z Zarządzającym zaprojektowano odcinek eksperymentalny w którym zastosowano technologie recyklingu. Przeprowadzone zostały pomiary nośności istniejącej nawierzchni w wyniku których stwierdzono brak nośności. Podjęto decyzje o zastosowaniu technologii recyklingu poprzez zastosowanie mieszanki – cementowo-emulsyjnej oraz z asfaltu spienionego. W oparciu o wcześniejsze studia zaprojektowano skład
mieszaki wykorzystujący istniejące materiały wbudowane w nawierzchnię. W trakcie prowadzonych prac na
budowie pobrano próby materiału i wykonano badania laboratoryjne materiałów podanych technologii recyklingu. Wykonano badania odkształcalności wg Marshalla, mrozoodporności. Aktualnie przygotowywane są
próbki do badań zmęczeniowych. Na wykonanej podbudowie przeprowadzono badania nośności oraz określono nośność podbudowy wykonanej w technologii recyklingu. Stwierdzono bardzo dobrą nośność tej warstwy jak i całej konstrukcji nawierzchni. Warstwy te przykryto warstwami z mieszanek mineralno-asfaltowych. W wyniku przeprowadzonych do tej pory prac badawczych i studiów stwierdza się, że jest możliwość
powtórnego wykorzystania w szerokim zakresie istniejących materiałów, które po stosownych zabiegach scalających mogą być powtórnie zastosowane w podbudowach nawierzchni drogowych.
65
PT 4. Recykling materiałów i elementów budowlanych, materiały alternatywne
Rodzaj asfaltu a jego parametry spieniania
Marek Iwański – Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Kielce, [email protected]
Anna Chomicz-Kowalska – Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Kielce, [email protected]
Lepiszcze asfaltowe w celu możliwości technologicznego wykorzystania do produkcji materiałów
drogowych musi charakteryzować się małą lepkością. Uzyskuje się ją przez doprowadzenia asfaltu do płynnej
postaci w wyniku podgrzania do temperatury około 160–180 °C lub zmieszania z wodą i otrzymania emulsji.
Obecnie te rodzaje asfaltu, w wyniku zmian technologicznych oraz warunków realizacji kontraktów
drogowych, nie w pełni spełniają stawiane im wymagania w czasie realizacji robót drogowych.
W światowym drogownictwie coraz powszechniej stosowana jest innowacyjny rodzaj lepiszcza w którym
gorący asfalt w celu doprowadzenia do lepkości użytkowej zostaje poddany oddziaływaniu zimnej wody.
W wyniku reakcji powstaje piana asfaltowa – asfalt spieniony, którego jakość charakteryzowana jest przez następujące parametry:
● Ekspansję, charakteryzowaną przez wskaźnik ekspansji (WE – Expansion Ratio) – stosunek maksymalnej
objętości asfaltu po spienieniu do objętości asfaltu przed spienieniem,
● Czas połowicznego rozpadu – okres półtrwania (t1/ ) różnica między czasem w którym asfalt uzyskuje mak2
symalne spienienie a czasem w którym utrzymuje się jeszcze połowa maksymalnej jego ekspansji,
● Współczynnik spienienia (WS – Foam Index) charakteryzowany jest przez powierzchnię między linią wykresu ekspansji asfaltu spienionego a linią okresu jego półtrwania – określa on stabilność asfaltu spienionego,
przy czym jako podstawowe parametry przyjmuje się WE i t1/2.
Asfalt spieniony stosowany jest w technologii recyklingu głębokiego na zimno wykorzystywanej w czasie
modernizacji konstrukcji nawierzchni drogowych oraz w nowoczesnej technologii mieszanek mineralno-asfaltowych na „ciepło” (WMA) w której temperatura wytwarzania materiałów asfaltowych obniżona jest około 50°C w porównaniu z tradycyjną technologią produkcji na „gorąco” (HMA).
W celu oceny przydatności stosowanych w polskim drogownictwie asfaltów do technologii spieniania poddano badaniom 19 asfaltów (asfalty zwykłe i modyfikowane). Dla każdego asfaltu określono podstawowe właściwości (penetracja w 25°C, temperatura mięknienia, temperatura łamliwości) oraz parametry reologiczne
(lepkość kinematyczna w 1350C, lepkość dynamiczna w 60°C, kąt przesunięcia fazowego φ, indeks penetracji i indeks plastyczności). Natomiast w celu określenia ekspansji asfaltu i czasu połowicznego rozpadu oraz
wyznaczenia optymalnej ich wartości w procesie spieniania dozowano wodę w ilości 1,5, 2,0, 2,5, 3,0, 3,5
i 4,0%. Na podstawie uzyskanych wyników badań sporządzono charakterystyki zależności badanych parametrów od ilości dozowanej wody i wyznaczono optymalną jej ilość do spieniania.
Wykonano analizę statystyczną otrzymanych wyników badań i ustalono zależności pomiędzy charakterystykami asfaltów. Na podstawie użyteczności Harringtona zbudowano kartę przydatności asfaltów do technologii spieniania uwzględniającą technologiczne możliwości ich wykorzystania w recyklingu głębokim na zimno w czasie modernizacji konstrukcji nawierzchni.
66
PT 4. Recykling materiałów i elementów budowlanych, materiały alternatywne
Wtórne wykorzystanie całych elementów konstrukcyjnych
Janusz Brol – Politechnika Śląska w Gliwicach, Gliwice, [email protected]
Zagadnienia związane z ponownym wykorzystaniem całych elementów budowlanych z rozbieranych lub
remontowanych konstrukcji nie są w świecie zjawiskiem nowym, jednak w naszym kraju nadal mało rozpoznanym. Nie istnieją wytyczne ich klasyfikowania oraz określania stopnia zużycia, przydatności i wykorzystania w nowych konstrukcjach. Zrównoważony rozwój w budownictwie powinien obejmować cały cykl istnienia obiektu, a więc; fazę projektową, wykonawczą, okres użytkowania, a także jego rozbiórkę, przy czym należy zwrócić uwagę, że przemysł budowlany nadal jest jednym z głównych producentów odpadów na świecie.
W krajach wysokorozwiniętych odzyskiwanie elementów pochodzących z rozbiórki jest coraz powszechniejsze. Powstają firmy (USA, Australia, Skandynawia) zajmujące się skupem elementów pochodzących z rozbiórki, a jednocześnie opracowywane są nowe zasady projektowania i nowe systemy uwzględniajace tzw. projektowanie środowiskowe, ukierunkowane na odzyskiwanie całych elementów.
W procesie pozyskiwania materiałów konstrukcyjnych z rozbiórki obiektów budowlanych wyróżnić można następujące grupy materiałowe: drewno, żelbet, stal, cegła. Różny jest zakres odzyskiwania przydatnych
elementów, w zależności od rodzaju i pierwotnej jakości materiału, typu i wieku konstrukcji oraz stopnia zużycia. Istotnym jest opracowanie zunifikowanych metod oceny przydatności elementu konstrukcyjnego do
powtórnego wykorzystania, a także metodyki gromadzenia danych o elementach.
W prezentacji scharakteryzowano podejmowane działania, związane z powtórnym użyciem całych elementów w świecie oraz przedstawiono aktualnie prowadzone badania laboratoryjne i studialne pozyskanych
„starych” elementów z rozbieranych konstrukcji.
W ramach projektu przeprowadzono badania 40-letnich, prefabrykowanych dźwigarów strunobetonowych, pod kątem ich nośności i możliwości rehabilitacji. W toku są badania drewnianych belek stropowych
pochodzących z obiektu wybudowanego w 1878r.
Na podstawie wyników różnorodnych badań w projekcie przewiduje się opracowanie propozycji wytycznych umożliwiających klasyfikację pozyskiwanych elementów konstrukcyjnych, w celu określenia ich przydatności do wtórnego zastosowania.
67
PT 4. Recykling materiałów i elementów budowlanych, materiały alternatywne
Zastosowanie siatek tekstylnych
do zbrojenia elementów betonowych
Marek Węglorz – Politechnika Śląska w Gliwicach, Gliwice, [email protected]
W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat zauważyć można wiele nowych rozwiązań materiałowych z wykorzystaniem betonu zbrojonego. Innowacyjność tych propozycji wiąże się z jednej strony z rozwojem tzw. betonów nowej generacji, a z drugiej strony następuje intensyfikacja poszukiwań w kierunku stosowania nowych
typów zbrojenia, o parametrach wytrzymałościowych co najmniej odpowiadających tradycyjnej stali, pozwalających na optymalne dopasowanie układu zbrojenia do rozkładu naprężeń głównych w elemencie i, co
szczególnie istotne, odpornych na korozję.
Takim innowacyjnym materiałem budowlanym staje się Teksbet (ang. Textile Reinforced Concrete – TRC),
w którym, jako zbrojenie do betonu, wykorzystuje się alternatywne w stosunku do klasycznego zbrojenia ze
stali, niemetaliczne (np. szklane, węglowe, lub – ostatnio – również bazaltowe) siatki tekstylne. Prace badawcze tego materiału są prowadzone od ponad dekady w Europie – głównie w Niemczech, w dwóch współpracujących ośrodkach: Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen oraz Technische Universität Dresden, a od kilku lat również w Polsce (na Politechnice Śląskiej).
W prezentacji krótko scharakteryzowano materiały składowe Teksbetu, tj. wybrane rodzaje siatek tekstylnych i beton drobnoziarnisty (ang. fine-grained concrete). W opisie siatek tekstylnych zwrócono szczególną
uwagę na ich geometrię i budowę strukturalną oraz podano sposoby rozwiązania połączeń w ich węzłach.
Zaprezentowano konkretne przykłady zastosowań elementów teksbetowych: do wykonywania elementów
cienkościennych (na przykład: prefabrykowanych płyt elewacyjnych z powierzchnią „architektoniczną” lub
deskowań traconych, które po zespoleniu biorą udział w przenoszeniu obciążeń) oraz do produkcji elementów nośnych (na przykładach segementowych, prefabrykowanych kładek dla pieszych). Ponadto podano inne sposoby wykorzystania Teksbetu: do wzmacniania konstrukcji i w naprawach konstrukcji, w tym do szczelnego zabezpieczenia przed wodą i mediami agresywnymi.
68
PT 4. Recykling materiałów i elementów budowlanych, materiały alternatywne
Wytrzymałość betonu o wysokim punkcie piaskowym
Dawid Moszczyński – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]
Artem Czkwianianc – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]
Przedmiotem badań był beton o wysokiej zawartości frakcji piaskowych. Podział betonów na betony zwykłe o dużej zawartości piasku i piaskowe na podstawie charakterystyki granulometrycznej stosu okruchowego przedstawił Sievers w [1] – patrz. rys. 1. a. Przyjął on, że betony o dużej zawartości piasku obejmują krzywe uziarnienia powyżej górnej krzywej granicznej według normy niemieckiej [2], przy czym punkt piaskowy
tych betonów nie powinien przekroczyć 80%. Przyjmując punkt piaskowy za najbardziej miarodajny wskaźnik przyporządkowujący beton do danej grupy, betony o wysokiej zawartości piasku powinny charakteryzować się punktem piaskowym powyżej 50% (norma polska [3]) lub 62% (norma niemiecka [2]) – rys. 1. b.
a)
b)
Rys. 1. Krzywe uziarnienia: a) beton zwykły, beton o dużej zawartości piasku, beton piaskowy według [1],
b) zastosowany stos okruchowy na tle górnych krzywych granicznych
W artykule zostały zaprezentowane wyniki pierwszego etapu badań, który miał na celu określenie wytrzymałości na ściskanie betonu z wysokim punktem piaskowym. 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. 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 180gm3/m3 i dzięki zastosowaniu domieszek uzyskano konsystencję powyżej 200mm opadu stożka i zawartość powietrza w granicach 2 – 3%. 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 C55/67. Jest to zgodne z programem badań, który miał obejmować wszystkie klasy wytrzymałościowe betonów zwykłych.
Uzyskane rezultaty są zaskakująco pozytywne.
Pierwszym zaskakującym rezultatem jest uzyskanie wytrzymałości na ściskanie po 28 dniach powyżej
70MPa, przy ilości piasku w kruszywie powyżej 60% i przy konsystencji powyżej 200 mm opadu stożka. Nie
ma zatem bariery w uzyskiwaniu klas wytrzymałościowych betonów zwykłych o wysokiej zawartości piasku.
Drugim zaskakującym rezultatem jest stopień przyrostu wytrzymałości po 28 dniach dojrzewania betonów o dużej zawartości popiołu lotnego. Beton, w którym zastosowano 187,5kg cementu w 1m3 betonu i taką samą ilość popiołu lotnego uzyskał po 28 dniach wytrzymałość 19,3MPa, zaś po 112 dniach 38,3MPa.
Prognozowana, na podstawie symulacji obliczeniowej, docelowa wytrzymałość tego betonu to prawie 50MPa.
Tak więc przyrost wytrzymałości po 28 dniach jest rzędu 160% ponad wytrzymałość 28 dniową. Porównywalny beton o tej samej ilości spoiwa 375kg/m3, ale wykonany wyłącznie na bazie cementu miał wytrzymałość
po 28 dniach 45,5MPa, zaś po 112 dniach 56,7MPa. Prognozowana wytrzymałość docelowa wynosiła około
62MPa. W tym wypadku przyrost wytrzymałości po 28 dniach to jedynie 36%. Można więc wnioskować, co
uwidocznione jest na rys. 2, że docelowe, końcowe wytrzymałości betonów przy zadanej ilości spoiwa, bez
względu na proporcje cement – popiół lotny, są do siebie zbliżone. Betony w których zastosowano 187,5kg
69
PT 4. Recykling materiałów i elementów budowlanych, materiały alternatywne
cementu w 1m3 i tyle samo popiołu lotnego, mogłyby być wykorzystywane do betonowania masywów. Takie
cechy jak mała ilość cementu i bardzo wolny przyrost wytrzymałości (świadczący o małej ilości wydzielanego ciepła w betonie w długim okresie czasu) i konsystencja powyżej 150 mm opadu stożka Abramsa są bardzo pożądane przy betonowaniu masywów.
Rys. 2. Porównanie wytrzymałości z
Biorąc pod uwagę jedynie aspekt wytrzymałościowy, to elementy konstrukcyjne wykonane z betonów,
w których w spoiwie jest dużo popiołu lotnego są bezpieczniejsze niż elementy wykonane z betonów jedynie
na bazie cementu. Ma to miejsce przede wszystkim w wypadku elementów ściskanych. Nośność tych elementów w znacznej mierze zależy od wytrzymałości betonu, która w dłuższym okresie czasu może być nawet ponad dwukrotnie większa od projektowanej. Ten przyrost wytrzymałości ponad projektowaną wypływa także
na większą odporność elementu na zarysowanie (rysy od ścinania i prostopadłe do elementu) oraz, choć
w mniejszym stopniu (przy większym stopniu zbrojenia), wpływa na zwiększenie nośności zginania.
Literatura:
[1] Sievers H.: Sandreiche Betonzusammensetzungen – Umweltschonung durch Nutzung von Überschußsanden, Beton 47 (1997), s. 20–25
[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] PN-88/B-06250 Beton zwykły
70
PT 5
Nowatorskie metody inżynierii
bezpieczeństwa pożarowego
PT 5. Nowatorskie metody inżynierii bezpieczeństwa pożarowego
Badanie emisji gazów toksycznych podczas pożaru
w pomieszczeniach obudowanych płytami
kartonowo-gipsowymi
Barbara Ościłowska – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]
Norbert Tuśnio – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]
Streszczenie
Elastyczne kształtowanie podziałów funkcjonalnych i łatwe prowadzenie wszelkiego rodzaju instalacji to
technologie, których stosowanie jest wymagane podczas aranżacji współczesnych budynków biurowych. Systemy suchej zabudowy stanowią obecnie standard technologiczny projektowania wnętrz biurowych. Ściany
działowe różnego typu umożliwiają szybkie i niezależne od konstrukcji budynku wykonanie podziałów funkcjonalnych. Natomiast sufity podwieszane pozwalają na łatwe rozprowadzanie instalacji, klimatyzacji oraz
montaż oświetlenia. Budowa wydzieleń z płyt gipsowo-kartonowych stanowi jednak zagrożenie w postaci
możliwości dodatkowej emisji toksycznych gazów (tlenku węgla, cyjanowodoru) podczas pożaru w takim pomieszczeniu.
W referacie przedstawiono metodykę badania emisji gazów toksycznych podczas rozkładu termicznego
płyt gipsowo-kartonowych. Istotne parametry, takie jak wartość temperatury warunkującej rozpoczęcie procesu rozkładu oraz generacja tlenku węgla z płyt zostały wprowadzone do modelu pożaru opartego o komputerową mechanikę płynów CFD. W analizie porównano obliczone stężenie tlenku węgla podczas pożaru
w pomieszczeniu z uwzględnieniem emisji gazów z materiałów wykończeniowych oraz bez uwzględnienia tego procesu.
Wybrane płyty gipsowo-kartonowe zostały poddane oddziaływaniu promieniowania cieplnego o różnych
gęstościach mocy w specjalnie zaprojektowanym do tego celu stanowisku badawczym znajdującym się w Zakładzie Badań Przyczyn Pożarów SGSP.
Stanowisko badawcze złożone jest z: komory spalania, promiennika z zasilaczem, statywu do mocowania
próbki, komory pomiarowej, układów pomiarowych (do badania ubytku masy, pomiaru temperatur i odczytu stężeń gazów), szafy sterowniczej i komputera (program Genie Builder, oprogramowanie do obróbki wyników).
Zakres prowadzonych badań obejmował określenie:
● temperatur występujących na powierzchniach próbek,
● rodzaju emitowanych gazów podczas badania materiału (możliwość oznaczania CO, HCl, H S, NO, NO ,
2
2
HCN, NH3, O2),
● ilościowej emisji gazów toksycznych identyfikowanych podczas badania,
w zależności od różnych gęstości strumienia ciepła emitowanego z promiennika.
Badania zostały wykonane na próbkach trzech różnych rodzajów płyt gipsowo-kartonowych (płyta zwykła, wodoodporna i ogniochronna) o wymiarach 200 x 200 mm, poddanych oddziaływaniu strumienia ciepła o wartościach gęstości mocy 10 kW/m2 oraz 15 kW/m2.
Następnie przeprowadzono symulację komputerową rozwoju pożaru w pomieszczeniu, którego wszystkie
ściany oraz sufit stanowi płyta gipsowo-kartonowa. Użyty w analizie program Fire Dynamics Simulator jest
narzędziem powszechnie znanym i stosowanym w środowisku inżynierów oraz pracowników i studentów
wyższych uczelni technicznych na całym świecie, zajmujących się inżynierią bezpieczeństwa pożarowego.
Program FDS oparty jest o metody obliczeniowe Numerycznej Dynamiki Płynów (ang. CFD – Computational Fluid Dynamics). Model ten rozwiązuje numerycznie określoną formę równań Naviera-Stokesa i uwzględnia transport ciepła i dymu podczas pożarów.
72
PT 5. Nowatorskie metody inżynierii bezpieczeństwa pożarowego
Wpływ prędkości przepływu mieszaniny powietrzno-dymowej
na czułość czujek dymu
Waldemar Wnęk– Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]
Przemysław Kubica– Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]
Agata Domżał– Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]
W trakcie badań dokonano badania wpływu prędkości przepływu mieszaniny powietrzno-dymowej na wybrane czujki pożarowe dymu: jonizacyjna i optyczna rozproszeniowa. Pomiarów dokonano w tunelu pomiarowym o nowatorskiej konstrukcji z możliwością spalania wybranych materiałów palnych: pianki poliuretanowej i drewna dębowego. Czujki pożarowe umieszczane są w sposób zapewniający takie same warunki pomiarowe, co powoduje możliwość porównywania ich czułości w przepływającej mieszaninie powietrzno-dymowej. Parametrem, który podlega zmianom jest prędkość w zakresie od 0,2 m/s do 7 m/s. W trakcie pomiarów mierzona jest względna zmiana prądu jonizacji Y[ ], moduł ekstynkcji m[dB/m], prędkość mieszaniny
powietrzno-dymowej v[m/s], temperatura T[oC], jak również dla dalszych analiz rozkłady cząstek dymu.
Rysunek 1. Modele regresji uzyskane podczas spalania płomieniowego i bezpłomieniowego pianki poliuretanowej i drewna dębowego
Przeprowadzone badania potwierdzają złożenia teoretyczne wskazujące zależność prędkości przepływu
na czułość czujek dymu, co powoduje konieczność doboru odpowiednich czujek dymu do zabezpieczeń przeciwpożarowych.
Badania przeprowadzono w ramach POIG. 01.01.02-10-106/09-01 Pakiet 5.2.1
73
PT 5. Nowatorskie metody inżynierii bezpieczeństwa pożarowego
Wpływ wentylacji interwencyjnej
na dobór procedur ratowniczych
oraz bezpieczeństwo prowadzenia ewakuacji
Ireneusz Naworol – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]
Stanisław Lipiński – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]
Andrzej Marciniak – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa
Aleksander Adamski – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa
(Streszczenie)
Interwencje ratownicze zastępów Państwowej Straży Pożarnej opierają się na wykorzystywaniu technologii i procedur ratowniczych, których zakres wykorzystania oraz efekt sprawczy zależą od takich czynników,
jak: rodzaj i skala zagrożenia, umiejętności ratowników, ich wyposażenie w specjalistyczny sprzęt, wielkość
potencjału ratowniczego (tzw. sił i środków) skierowanego do zdarzenie w poszczególnych rzutach – głównie
w pierwszym i czas podjęcia działań od chwili powiadomienia. Czynniki te wymuszają konieczność podejmowania decyzji kierującego działaniem ratowniczym w trybie doraźnym, jako kompromisu możliwości ratowniczych, wobec potrzeb dyktowanych zaistniałą sytuacją. Ten tryb zwany jest taktyką działania ratowniczego i sprowadza się do ustanawiania wariantów działania, optymalizowanych uznanymi za najważniejsze
takimi celami, jak skuteczność, sprawność, dopuszczalny poziom ryzyka naruszenia bezpieczeństwa uczestników działań.
Problematykę badawczą zadania T. 5.3.1. stanowią poszukiwania odpowiedzi na zasadnicze pytania, dotyczące celowości stosowania wentylacji awaryjnej przez ratowników w warunkach pożarów budynków, a są
nimi:
● Czy wentylacja nadciśnieniowa może być używana jako środek natarcia podczas działań gaśniczych?
● Czy wentylacja nadciśnieniowa obniża poziom tlenku węgla wewnątrz budynku?
● Czy powinna być stosowana przed podaniem wody do pożaru?
● Czy stwarza bezpieczniejsze środowisko dla strażaków i poszkodowanych?
● Czy wentylacja nadciśnieniowa poprawia widoczność wewnątrz budynku objętego pożarem?
Na potrzeby badań przeprowadzono testy badawcze, które odbyły się wewnątrz czterokondygnacyjnego,
budynku murowanego, w warunkach zainicjowanego realnie pożaru. Przeprowadzono kilka próbnych pożarów i w ich warunkach scenariusze działań jako próby badawcze z wykorzystaniem:
● tylko wentylacji grawitacyjnej;
● wentylatorów osiowych przed natarciem na pożar;
● wentylatorów osiowych w trakcie natarcia na pożar;
● wentylatorów osiowych dopiero po ugaszeniu pożaru.
Procedura badawcza objęła:
ocenę skuteczności doraźnych systemów wentylacji, rozwiązań technicznych i organizacyjnych wykorzystywanych w warunkach pożarów w wybranych obiektach;
● ocenę istniejących procedur ratowniczych dla działań z użyciem wentylacji awaryjnej dla rot ratowniczych,
pod kątem ich przydatności dla ewakuacji interwencyjnej i ze względu bezpieczeństwa działań.
Wynikiem badań są praktyczne wskazówki metodyczne dla ratowników, dotyczące stosowalności metod
postępowania z użyciem wentylacji interwencyjnej w działaniach ratowniczych w czasie pożaru, a także optymalne rozwiązania taktyczne dla ratowników.
●
74
PT 5. Nowatorskie metody inżynierii bezpieczeństwa pożarowego
Zastosowanie modelu strefowego do analizy wpływu środka
ogniochronnego materiału palnego na zmiany środowiska
pożaru w układzie dwóch pomieszczeń
Marzena Półka – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]
Marek Konecki – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]
Norbert Tuśnio – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]
Waldemar Jaskółowski – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]
W pracy szacowano zasięgi widzialności w dymie powstającym w czasie spalania wybranego materiału
bez modyfikacji i modyfikowanego przeciwogniowo. Dokonano analizy wpływu środka ogniochronnego materiału palnego na zmiany środowiska pożaru w układzie dwóch pomieszczeń.
Do badań eksperymentalnych zostały wykorzystane próbki drewna dębowego, impregnowane wybranymi
środkami ogniochronnymi. Określono, które z badanych środków ogniochronnych powodują zwiększenie generacji dymu zwiększając zagrożenie pożarowe określone wzrostem temperatury górnej warstwy dymu, jej położeniem nad poziomem podłogi i zasięgiem widzialności.
Rys. Zasięg widzialności w górnej warstwie w korytarzu w funkcji czasu spalania materiału bez środka i zabezpieczonego ogniochronnie.
Do realizacji badań wykorzystano dane określające własności materiałowe emisji ciepła i dymu z materiałów otrzymane przy użyciu kalorymetru stożkowego. Do obliczeń parametrów stanu środowiska pożarowego pomieszczeń użyto zaawansowany model strefowy. Jak wynika z przeprowadzonych badań, model
strefowy uśredniający parametry pożaru po strefach (objętościach kontrolnych) jest wystarczająco dokładny do badań porównawczych wpływu różnych dodatków modyfikujących własności pożarowe materiałów
palnych i do szeregowania ich z uwagi na potencjalne zagrożenie pożarowe związane ze wzrostem stopnia
zadymienia obiektów.
Wygłasza: dr inż. Norbert Tuśnio
Badania przeprowadzono w ramach POIG. 01.01.02-10-106/09-01
75
PT 5. Nowatorskie metody inżynierii bezpieczeństwa pożarowego
Wnioski szczegółowe dla sporządzania wytycznych
wynikające z przeglądu i analizy instrukcji
bezpieczeństwa pożarowego.
Marek Woliński – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]
Grzegorz Ogrodnik – Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Warszawa, [email protected]
Streszczenie
Od prawie 20 lat w polskich przepisach przeciwpożarowych [1, 2, 3, 4] zapisany jest obowiązek, spoczywający na właścicielach, zarządcach lub użytkownikach budynków, obiektów budowlanych i terenów, opracowania instrukcji bezpieczeństwa pożarowego. Po raz pierwszy w § 5. rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych z dnia
3 listopada 1992 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów [1].
zawarto, w sposób dość ogólnikowy, obowiązek przedstawienia „wymagań przeciwpożarowych” dotyczących obiektów użyteczności publicznej i zamieszkania zbiorowego w „instrukcjach bezpieczeństwa pożarowego”. W rozporządzeniu nie określono szczegółowego zakresu tematycznego tego dokumentu, nie wspominając o jakichkolwiek wymaganiach formalnych, które powinien spełniać. Powstające ówcześnie (lata 1993÷2003) instrukcje bardzo często
zawierały zbiór różnorodnych ogólnych wymagań ochrony przeciwpożarowej odnoszących się jednocześnie do
różnych grup obiektów, pomimo tego, że powinny dotyczyć konkretnego przypadku obiektu. W instrukcjach zamieszczano ogólne informacje o wymaganiach, jakie powinny być spełnione (nawet jeżeli w rzeczywistości nie były), a także o procedurach, jakie powinny obowiązywać (nawet jeżeli nie wskazano konkretnie osób odpowiedzialnych za ich realizację). Nie przedstawiano z kolei szczegółowych rozwiązań i informacji, czy też instrukcji o faktycznym sposobie przeciwpożarowego zabezpieczenia obiektu. Nie przedstawiano informacji i instrukcji o sposobach eksploatacji obiektu, jego użytkowania i zachowania się w nim, właściwego z punktu widzenia ochrony przeciwpożarowej, bezpieczeństwa obiektu, a przede wszystkim bezpieczeństwa jego użytkowników. Nie wskazywano także kto konkretnie – personalnie – odpowiedziany jest za realizację zadań i obowiązków z zakresu ochrony ppoż., czy też za
realizację wymagań, kto ma wykonywać procedury zapisane w instrukcji. Z zapisów tychże dokumentów nie wynikało do kogo są one adresowane i w jakim zakresie. Można stwierdzić, iż dokumenty te swoją zawartością merytoryczną oraz sposobem jej przedstawienia odzwierciedlały jeden ogólny nurt, który można opisać w następujący
sposób „ilu autorów, tyle koncepcji instrukcji – instrukcji o wysokim poziomie ogólności i abstrakcyjności”.
Po ponad 10-ciu latach opublikowano nowe rozporządzanie MSWiA [2]. Zmieniono i doprecyzowano
w nim zapisy formułujące wymagania w zakresie instrukcji bezpieczeństwa pożarowego.
Wymagania te w niezmienionej postaci zawarto także w kolejnym, nowym rozporządzeniu MSWiA
z 2006 r [3], które obowiązywało do 29 czerwca 2010 r. Pomimo tego, że w ww. przepisach doprecyzowano
wymagania dotyczące zawartości instrukcji większość instrukcji, które zostały poddane przeglądowi i analizie dalece odbiega od stanu wymaganego prawem. Z przeprowadzonej analizy wynika, iż większość dokumentów (instrukcji) opracowanych na podstawie przepisów obowiązujących w latach 2003 ÷ 2010 dalej zawiera „ogólne wymagania i rozwiązania” wpisując się w nurt, o którym była mowa powyżej, w nurt opracowywania instrukcji wg koncepcji przepisów z 1992 r.
W związku z tym, iż 30 czerwca 2010 r. weszło w życie nowe rozporządzenie MSWiA [4] częściowo zmieniające i rozszerzające wymagania w zakresie instrukcji bezpieczeństwa pożarowego można się spodziewać, iż
ze względu na dość ogólny charakter podanych w nim wymagań podobnie jak we wcześniejszych przypadkach
instrukcje będą w dalszym ciągu dalece odbiegały od pożądanych zarówno w zakresie merytorycznym, jak i edycyjnym oraz językowym. W związku z tym uzasadnione jest opracowanie wytycznych omawiających zasady
opracowywania tego typu dokumentów, wyjaśniających celowość tworzenia dokumentu i opisu poszczególnych
zagadnień wraz podaniem przykładów poprawnych zapisów, jakie powinny być stosowane w instrukcjach.
Bibliografia:
[1] Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych z dnia 3 listopada 1992 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (Dz.U. Nr 92, poz. 460, ze zm.)
[2] Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 16 czerwca 2003 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (Dz.U. Nr 121, poz. 1138)
[3] Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 21 kwietnia 2006 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (Dz.U. Nr 80, poz. 563)
[4] Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 07 czerwca 2010 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (Dz.U. Nr 109, poz. 719)
76
PT 5. Nowatorskie metody inżynierii bezpieczeństwa pożarowego
Zasady stosowania inżynierii bezpieczeństwa pożarowego
do projektowania systemów wentylacji pożarowej
tuneli drogowych
Grzegorz Sztarbała – Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa,
Grzegorz Krajewski – Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa [email protected]
1. Cel zadania badawczego
Celem niniejszego zadania badawczego realizowanego w ramach projektu „Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej w strategii
zrównoważonego rozwoju” jest opracowanie wytycznych i procedur projektowania systemów wentylacji
pożarowej tuneli drogowych oraz zasad projektowania i oznakowania dróg ewakuacyjnych w tunelach drogowych.
Program realizacji zadania badawczego obejmuje następujące etapy:
● Wybór charakterystycznych podziemnych obiektów komunikacyjnych i opracowanie dla nich scenariuszy pożarowych;
● Przeprowadzenie obliczeń rozprzestrzeniania się dymu, ciepła i toksycznych produktów spalania przy
uwzględnieniu różnych typów wentylacji pożarowej;
● Przeprowadzenie testów w pełnej skali z gorącym dymem w celu weryfikacji otrzymanych wyników
obliczeń;
● Przeprowadzenie obliczeń procesu ewakuacji;
● Opracowanie wytycznych i procedur projektowania systemów wentylacji pożarowej podziemnych obiektów komunikacyjnych oraz środków ewakuacji;
● Opracowanie zasad prowadzenia testów odbiorowych systemów wentylacji pożarowej tuneli drogowych.
2. Definicja problemu badawczego
Jednym z istotnych elementów procesu projektowania tuneli drogowych jest zapewnienie wymaganego poziomu bezpieczeństwa pożarowego. Wymagany poziom bezpieczeństwa pożarowego odnosi się zarówno do
zapewnienia nośności konstrukcji w wymaganym czasie, jak i zapewniania możliwości ewakuacji ludzi, możliwości prowadzenia akcji ratowniczo – gaśniczej, ograniczenia rozprzestrzeniania się pożaru oraz ograniczenia
strat materialnych. Wszystkie z wyżej wymienionych elementów zależne są od stanu środowiska wewnętrznego tunelu w warunkach pożaru a w szczególności od temperatury, stężenia toksycznych produktów spalania
i zasięgu widzialności znaków ewakuacyjnych. System wentylacji pożarowej ze względu na cel, jakiemu ma służyć, w znacznej mierze wpływa na stan środowiska w warunkach pożaru. Poprawnie zaprojektowana wentylacja pożarowa poprzez usuwanie dymu, ciepła i toksycznych produktów spalania zapewnia w wymaganym czasie „bezpiecznej” ewakuacji warunki umożliwiające ewakuację ludzi, możliwość prowadzenia akcji ratowniczo
– gaśniczej a w dalszej fazie rozwoju pożaru obniża m. in. oddziaływanie temperatury na konstrukcję tunelu.
Istotnym z punktu widzenia procesu projektowania systemów wentylacji pożarowej tuneli drogowych jest
określenie odpowiedniego scenariusza rozwoju pożaru. Określenie jednego czy też kilku uniwersalnych scenariuszy rozwoju pożaru możliwych do wykorzystania dla każdego tunelu drogowego jest niemożliwe. Zależy on od bardzo wielu czynników, wśród których można wyróżnić takie, jak: rodzaj tunelu, długość tunelu,
liczba pasów ruchu, natężenie ruchu, rodzaj pojazdów mogących się poruszać itd. W praktyce dla tuneli krótkich tj. o długości do 400 m definiuje się jeden bądź dwa scenariusze, w przypadku tuneli dłuższych określa
się trzy bądź więcej scenariuszy pożarowych.
Prawidłowo określone scenariusze pożarowe zawierają takie parametry, jak: lokalizację pożaru, szybkość
wyzwalania ciepła zależna od źródła pożaru, efektywne ciepło spalania zależne od źródła pożaru, powierzchnia pożaru oraz szybkość wyzwalania gazów pożarowych, dostępne kierunki ewakuacji w zależności od lokalizacji pożaru. Ponadto przyjęte scenariusze powinny uwzględniać oddziaływanie różnych czynników zewnętrznych, między innymi wiatru, mogących w istotny sposób wpływać na detekcję pożaru oraz rozprzestrzenianie się dymu i ciepła.
77
PT 5. Nowatorskie metody inżynierii bezpieczeństwa pożarowego
Realizowane prace
Zgodnie z przyjętym harmonogramem zadania badawczego w pierwszym etapie prac
(1.04.2010–31.03.2011) na podstawie analizy literatury i dostępnych wyników badań opracowano scenariusze pożarowe dla wybranych tuneli drogowych. Scenariusze te stanowią podstawę aktualnie realizowanego
zadania pt. „Przeprowadzenie obliczeń rozprzestrzeniania się dymu, ciepła i toksycznych produktów spalania przy
uwzględnieniu różnych typów wentylacji pożarowej”. Dotychczas przeprowadzono obliczenia numeryczne rozprzestrzenia się dymu i ciepła dla tunelu drogowego o długości 50 m i polu poprzecznego przekroju 25 m2.
Powstały w skutek pożaru dym i ciepło usuwane są grawitacyjnie – zgodnie z obowiązującymi obecnie wymaganiami PIARC [1]. W obliczeniach uwzględniono oddziaływanie wiatru z prędkością referencyjną wynosząca 2,00 m/s i 4,00 m/s na wysokości referencyjnej 10 m. Kąt oddziaływania wiatru zmieniał się w zakresie 0°–90° z krokiem 5°.
Poniżej w formie graficznej przedstawiono wyniki obliczeń numerycznych przy prędkości referencyjnej
wynoszącej 2,00 m/s i kątach oddziaływania 60° i 90°.
Rys. 1. Rozkład prędkości przepływu powietrza [m/s] – kąt 60°
Rys. 2. Rozkład prędkości przepływu powietrza [m/s] – kąt 90°
Dalsze prace będą realizowane zgodnie z przyjętym programem realizacji. W ramach tych prac przewidziano m. in. przeprowadzenie badań z wykorzystaniem gorącego dymu w istniejącym tunelu.
Literatura
[1] PIARC. Fire and Smoke Control in Road tunnels. PIARC report 05.05. B, Paryż, 1999.
[2] LACROIX, D. The Mont Blanc Tunnel fire: what happened and what has been learned. Proceedings 4th International Conference on Safety in Road and Rail Tunnels, Madryt, 2 – 6 kwiecień 2001.
[3] EBERL, G. The Tauren Tunnel incident: what happened and what has been learned. Proceedings 4th International Conference on Safety
in Road and Rail Tunnels, Madryt, 2 – 6 kwiecień 2001.
[4] NILSEN, A. R., LINDVIK, P. A. and Log, T. Full-scale fire testing in sub sea public road tunnels. Proceedings of the 9th International Interflam Conference. Edenburg, Szkocja, 17 – 19 wrzesień 2001.
[5] GŁĄBSKI P., SZTARBAłA G.: Systemy oddymiające w tunelach drogowych, Pięćdziesiąta Jubileuszowa Konferencja Naukowa Komitetu
Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN i Komitetu Nauki PZITB, Warszawa-Krynica 2004.
[6] SZTARBAłA G.: Systemy wentylacji pożarowej tuneli drogowych, Polski Instalator Nr 5/2007.
[7] Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 30 maja 2000 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny
odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie, Dz. U. Nr 63/2000.
[8] Dyrektywa 2004/54/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 29 kwietnia 2004 r. w sprawie minimalnych wymagań bezpieczeństwa
dla tuneli w transeuropejskiej sieci drogowej.
78
PT 6
Innowacyjne metody
tworzenia i wykorzystywania
komputerowej reprezentacji wiedzy
w inżynierii lądowej,
kształtowanie
infrastruktury transportowej
z uwzględnieniem strategii
zrównoważonego rozwoju
PT 6. Innowacyjne metody tworzenia i wykorzystywania komputerowej reprezentacji wiedzy w inżynierii lądowej, kształtowanie infrastruktury transportowej...
Technologie reprezentacji wiedzy i narzędzia ekspertowe
w gospodarowaniu infrastrukturą mostową
Aleksandra Banakiewicz – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected]
Jan Bień – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected]
Małgorzata Gładysz – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected]
Tomasz Kamiński – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected]
Dariusz Król – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected]
Mieszko Kużawa – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected]
Paweł Rawa – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected]
Marek Znamirowski – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected]
Streszczenie
Podejmowanie racjonalnych decyzji w zakresie zarządzania infrastrukturą mostową wymaga wiedzy z różnych dziedzin, wykraczającej często daleko poza inżynierię mostową. Proces decyzyjny może być znacznie
ułatwiony dzięki możliwość skorzystania z komputerowych narzędzi ekspertowych wspomagających rozwiązywanie specjalistycznych problemów w sytuacji, gdy wielu decydentów nie dysponuje dostatecznie szeroką
wiedzą i doświadczeniem gwarantującym efektywne gospodarowanie powierzoną infrastrukturą. W przypadku systemów zarządzania o skali ogólnokrajowej, obejmujących dziesiątki tysięcy obiektów i wykorzystywanych przez setki użytkowników, zapewnienie jednolitości i skuteczności działań składających się na proces
zarządzania ma szczególne znaczenie, ale jest też zadaniem wyjątkowo trudnym.
Wiedza dziedzinowa wykorzystywana w narzędziach ekspertowych stanowiących komponenty komputerowych systemów wspomagania decyzji może być reprezentowana w dwóch podstawowych formach: symbolicznej oraz niesymbolicznej. Przykładem wiedzy symbolicznej są wyrażenia logiczne, takie jak reguły wnioskowania w rachunku predykatów, a także modele obliczeniowe. Wiedza niesymboliczna przybiera formy,
które nie bazują bezpośrednio na logice matematycznej – mogą to być np. wagi połączeń pomiędzy warstwami sztucznej sieci neuronowej, parametry określające kształt powierzchni modelu rozmytego, bądź też kod
genetyczny osobnika w populacji wytworzonej przez algorytm ewolucyjny.
Prezentowanym rozwiązaniem złożonego problemu zarządzania infrastrukturą mostową jest zastosowanie technologii sieci hybrydowych umożliwiającej dekompozycję zagadnienia, czyli jego podział na mniejsze
części składowe – łatwiejsze do określenia, zrozumienia i zdefiniowania. W podejściu hybrydowym możliwe
jest kaskadowe łączenie komponentów realizujących symboliczne i niesymboliczne techniki reprezentacji
oraz przetwarzania wiedzy. Każde z zagadnień składowych może być rozwiązywane specjalizowaną metodą,
a rozwiązania poszczególnych zagadnień są agregowane w celu uzyskania rozwiązania całości zdekomponowanego problemu.
Zakres prezentacji obejmuje następujące zagadnienia:
● podstawy technologii sieci hybrydowych w zastosowaniu do narzędzi ekspertowych wspomagających zarządzanie infrastrukturą mostową,
● architektura sieci hybrydowych oraz podstawowe rodzaje wykorzystywanych komponentów,
● koncepcja narzędzia ekspertowego wspomagającego ocenę nośności blachownicowych przęseł mostów kolejowych z uwzględnieniem uszkodzeń (charakterystyka zagadnienia, założenia funkcjonalne, metodyka
akwizycji wiedzy, architektura narzędzia ekspertowego),
● koncepcja narzędzia ekspertowego wspomagającego ocenę nośności mostowych konstrukcji murowanych z uszkodzeniami (charakterystyka zagadnienia, założenia funkcjonalne, metodyka akwizycji wiedzy, architektura narzędzia ekspertowego).
80
PT 6. Innowacyjne metody tworzenia i wykorzystywania komputerowej reprezentacji wiedzy w inżynierii lądowej, kształtowanie infrastruktury transportowej...
Metody badań cech dynamicznych w diagnostyce obiektów
infrastruktury mostowej i kolejowej
Jarosław Zwolski – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected]
Jan Bień – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected]
Mieszko Kużawa – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected]
Tomasz Kamiński – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected]
Marek Krużyński – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected]
Ewelina Kwiatkowska – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected]
Streszczenie
Konstrukcje obiektów infrastruktury transportowej, ze względu na wymagania stawiane nowoczesnej sieci transportowej, muszą sprostać coraz większym obciążeniom oraz coraz większym prędkościom ruchu taboru. Z powodu kluczowej roli tych obiektów w sieci transportowej powinny one być przedmiotem badań
i monitorowania umożliwiających uzyskanie bardziej wiarygodnych danych o ich stanie technicznym, niż
jest to możliwe na podstawie wyników standardowych inspekcji, opartych przede wszystkim na przeglądzie
wizualnym.
Ze względu na dynamiczny charakter obciążeń generowanych przez tabor kolejowy, drogowy i pieszych,
a także przez czynniki środowiskowe (wiatr, drgania podłoża itp.) badania obiektów komunikacyjnych powinny koncentrować się na identyfikacji cech dynamicznych konstrukcji. Z punktu widzenia dynamiki lekkie
i wiotkie elementy konstrukcji charakteryzują się małym tłumieniem i niskimi częstotliwościami drgań własnych, przez co częściej w ich eksploatacji ujawniają się następujące problemy:
● duże amplitudy drgań elementów spowodowane ruchem taboru kolejowego z dużą prędkością, ruchem ciężkich pojazdów drogowych lub tłumu pieszych, a także wiatrem przekraczają dopuszczalne normy maksymalnych amplitud przemieszczeń i przyspieszeń drgań ze względu na komfort ludzi znajdujących się na
obiekcie lub ze względu na ograniczenia innych cech użytkowych, np. hałasu czy wymiarów skrajni,
● długi czas zanikania drgań związany z małym tłumieniem powoduje zwiększenie liczby cykli obciążenia
konstrukcji, co ma niekorzystny wpływ na jej nośność zmęczeniową, a większe amplitudy drgań powodują
większe wytężenie elementów konstrukcyjnych, co ma wpływ na inicjowanie i propagację uszkodzeń.
Naturalną konsekwencją narastających problemów jest dążenie do ich rozpoznania i rozwiązania,
a w efekcie rozwój teoretycznych i doświadczalnych metod analizy w dziedzinie dynamiki konstrukcji.
Spośród metod badań dynamicznych wyróżnia się dwie główne grupy metod badawczych: badania operacyjne i badania modalne, które umożliwiają identyfikację parametrów operacyjnych konstrukcji (zależnych od rodzaju wymuszenia) takich jak współczynniki przeciążenia dynamicznego czy maksymalne
amplitudy drgań oraz parametrów modalnych (niezależnych od obciążenia): naturalnych częstotliwości
drgań, współczynników tłumienia i postaci drgań.
Podstawowym narzędziem wykorzystywanym w licznych zagadnieniach dynamicznych związanych
z obiektami mostowymi jest analiza modalna konstrukcji. Zarówno w ujęciu teoretycznym, jak i eksperymentalnym daje ona odpowiedź na pytanie, jakie są częstotliwości drgań własnych, postacie drgań
oraz współczynniki tłumienia modalnego analizowanej konstrukcji. W doświadczalnej analizie modalnej konstrukcji mostowych stosowane są różne techniki wymuszania drgań, wśród nich szczególne znaczenie ma technika wymuszania drgań konstrukcji przy użyciu specjalnie do tego celu zbudowanych
urządzeń zwanych wzbudnikami. Ich wykorzystanie w badaniach mostów stwarza możliwość wyznaczenia postaci drgań konstrukcji wyskalowanych za pomocą zmierzonych sił wymuszających oraz bardziej
precyzyjne wyznaczenie naturalnych częstotliwości drgań i współczynników tłumienia, niż przy wykorzystaniu Operacyjnej Analizy Modalnej.
Przedmiotem prezentacji są badania modalne stalowego wiaduktu kolejowego z wykorzystaniem bezwładnościowego wzbudnika drgań. Prezentacja zawiera opis układów pomiarowych, metody badań, zastosowanych urządzeń pomiarowych oraz wstępne wyniki eksperymentalnej analizy modalnej wraz z porównaniem ich z wynikami analizy teoretycznej.
81
PT 6. Innowacyjne metody tworzenia i wykorzystywania komputerowej reprezentacji wiedzy w inżynierii lądowej, kształtowanie infrastruktury transportowej...
Stanowisko badawcze – wyniki badań testowych
z wykorzystaniem emisji akustycznej oraz skanera 3D
Wiesław Trąmpczyński – Politechnika Świętokrzyska, Kielce, [email protected]
Streszczenie
Celem pierwszego etapu (kamień milowy I) była budowa stanowiska badawczego dla belek statycznie niewyznaczalnych, skonfigurowanie aparatury umożliwiającej rejestrację procesu przemieszczeń i zarysowania
w funkcji przyjętego programu obciążania oraz przeprowadzenie badań testowych.
Na bazie istniejących urządzeń nastendowych opracowano projekt dostosowania stanowiska do badania
belek dwuprzęsłowych. Wykonane stanowisko umożliwia realizację obciążenia przy użyciu trzech, niezależnie sterowanych siłowników hydraulicznych. Do przeprowadzenia badań skonfigurowano i uruchomiono aparaturę pomiarową składającą się z: zestawu do pomiaru i analizy emisji akustycznej, skanera optycznego 3D
oraz zestawu pomiarowego firmy Hottinger.
Przeprowadzono badania testowe stanowiska i aparatury dla trzech belek jednoprzęsłowych (w tym jednej sprężonej) oraz dwóch belek dwuprzęsłowych. Badania i synchronizację aparatury przeprowadzono dla
obciążeń monotonicznych oraz cyklicznie zmiennych. Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić,
iż został osiągnięty pierwszy kamień milowy.
W ramach tego etapu przygotowano program badawczy oraz wykonane zostały belki żelbetowe do badań.
Przygotowano dwie publikacje:
1. Diagnostyka i monitoring obiektów strunobetonowych z wykorzystaniem metody emisji akustycznej AE
na przykładzie mostów – przesłano do Magazynu "Mosty",
2. Zastosowanie metody emisji akustycznej do monitoringu stanu technicznego wiaduktu drogowego – referat wygłoszony na konferencji Awarie Budowlane 2011
82
PT 6. Innowacyjne metody tworzenia i wykorzystywania komputerowej reprezentacji wiedzy w inżynierii lądowej, kształtowanie infrastruktury transportowej...
Nośność nawierzchni drogowych
Antoni Szydło – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected]
Piotr Mackiewicz – Politechnika Wrocławska, Wrocław, [email protected]
1. Opis problemu
W ramach Pakietu Tematycznego PT6 – Innowacyjne metody tworzenia i wykorzystywania komputerowej reprezentacji wiedzy w Inżynierii Lądowej, kształtowanie infrastruktury transportowej z uwzględnieniem
strategii zrównoważonego rozwoju, realizowany jest temat badawczy TB 6.2 – Innowacyjne metody badań jako źródło wiedzy o infrastrukturze transportowej w ramach którego realizowane jest zadanie badawcze ZB.
6.2.4 – Diagnostyka nawierzchni drogowych i lotniskowych z wykorzystaniem zaawansowanych badań dynamicznych.
Problem oceny nośności nawierzchni drogowych i lotniskowych jest jednym z ważniejszych w systemie oceny stanu nawierzchni. Ocena nośności pozwala na podjęcie decyzji utrzymaniowych związanych z technologią utrzymania i wzmacniania nawierzchni drogowych. Istotnym problemem jest dobór odpowiedniej aparatury pomiarowej, która pozwoli na ocenę nośności a w konsekwencji trwałości zmęczeniowej eksploatowanych
nawierzchni drogowych. Studiowane zadanie badawcze dotyczy problematyki oceny nośności i trwałości istniejących i eksploatowanych nawierzchni drogowych i lotniskowych. Podstawowym celem badawczym jest
opracowanie metody identyfikacji parametrów modeli nawierzchni drogowych i lotniskowych z wykorzystaniem ugięciomierza dynamicznego FWD. Urządzenie to realizuje obciążenie nawierzchni drogowych lub lotniskowych za pomocą spadającego ciężaru na płytę pomiarową (o średnicy równoważnej powierzchni styku
opony z nawierzchnią) symulując w ten sposób czas i wartość obciążenia działającego na nawierzchnie. Równocześnie mierzone jest przemieszczenie w kilku punktach tworząc tzw. czaszę przemieszczeń. Wykorzystując tzw. obliczenia odwrotne (metodę back calculation) możliwa jest identyfikacja parametrów opisujących
model nawierzchni drogowej. Jak dotychczas praktyczne zastosowanie w mechanice nawierzchni drogowych
znalazły modele statyczne będące półprzestrzenią wielowarstwową. Obciążenie działające na nawierzchnie wywierane przez ugięciomierz dynamiczny FWD ma charakter dynamiczny. Dotychczasowa praktyka polega na
tym, że uzyskiwane przemieszczenia z ugieciomoierza dynamicznego podstawiane są do rozwiązania statycznego i w wyniku obliczeń odwrotnych identyfikuje się parametry modelu statycznego. Takie podejście jest
znacznym uproszczeniem zagadnienia. Jednym z celów studiowanego tematu jest znalezienie przejścia (transformacji) z testu dynamicznego na test statyczny w taki sposób ażeby można było identyfikowane parametry
w teście dynamicznym zastosować w modelu statycznym. Jak dotychczas w ramach tematu badawczego przeanalizowano zniszczenia nawierzchni analizując przyczyny tych zniszczeń. Dokonano również oceny dotychczasowych metod badań nawierzchni drogowych i lotniskowych i wskazano, że badania dynamiczne są badaniami krótkotrwałymi i jest możliwe ich wdrożenie do badań nawierzchni drogowych, gdzie istotny jest czas
badań oraz bezpieczeństwo przeprowadzających badania. Cel realizowanego tematu zakłada się osiągnąć poprzez przeprowadzenie całej serii badań na istniejących nawierzchniach drogowych o różnym składzie (nawierzchni asfaltowej, betonowej) oraz w różnych temperaturach klimatycznych. Celem tych badań i analiz jest
znalezienie zależności pomiędzy testami dynamicznymi i statycznymi. Proponuje się opracowanie algorytmu
identyfikacji parametrów opisujących model konstrukcji będący wielowarstwową półprzestrzenią sprężystą.
Parametrami identyfikowanymi są moduły sprężystości materiałów warstw i podłoża, charakteryzującymi podatność i sprężystość materiałów wbudowanych w nawierzchnie. W efekcie dąży się znalezienie metody przejścia z testu statycznego na dynamiczny. Aktualnie prowadzone są badania na nawierzchniach drogowych o nawierzchni asfaltowej i betonowej w różnych porach roku. Dotychczasowe wyniki badań wskazują na możliwość znalezienia sposobu przejścia z testu dynamicznego na statyczny, przy czym dokładność zależy od rodzaju nawierzchni oraz temperatury w której prowadzone są badania. W wyniku przeprowadzonych do tej pory prac badawczych i studiów stwierdza się, że jest możliwość opracowania metody pozwalającej na transformację wyników z badań dynamicznych na badania statyczne, które są kompatybilne ze stosowanymi modelami obliczeniowymi nawierzchni drogowych i lotniskowych.
83
PT 6. Innowacyjne metody tworzenia i wykorzystywania komputerowej reprezentacji wiedzy w inżynierii lądowej, kształtowanie infrastruktury transportowej...
Komputerowe wspomaganie oceny
stanu technicznego wysypisk z wykorzystaniem SSN
Marek Lefik – Politechnika Łódzka, Łódź, [email protected]
Marcin Krasiński – Politechnika Łódzka , Łódź, [email protected]
Izabela Wiśniewska – Politechnika Łódzka , Łódź, [email protected]
1. Sformułowanie problemu
Składowiska odpadów to instalacje IPPC (Integrated Pollution Prevention and Control) objęte dyrektywą unijną i jednocześnie obiekty budowlane, które muszą spełniać określone prawem wymagania dotyczące budowy, funkcjonowania, zamykania oraz eksploatacyjnego i poeksploatacyjnego monitoringu. Pomimo tego mogą stać się zagrożeniem dla środowiska w sytuacjach awaryjnych uszkodzeń warstwy izolacyjnej lub też kiedy z prowadzonego
monitoringu wynika iż naturalna bariera geologiczna jest niewystarczająca. Ocena stanu technicznego składowiska odpadów wiąże się z oceną oddziaływania tej instalacji na poszczególne komponenty środowiska. Daje możliwość zapobiegania katastrofom ekologicznym poprzez analizę rozwiązań technologicznych, w tym ocenę spełnienia wymagań stawianych lokalizacji składowisk. Składowiska odpadów aby prawidłowo funkcjonować powinny
spełniać warunki określone w Best Available Techniques (BAT) tj. najlepszej dostępnej techniki, zdefiniowane jako najbardziej efektywny zaawansowany poziom rozwoju technologii metod prowadzenia danej działalności, stanowiący podstawę do ustalania granicznych wielkości emisyjnych, rozumianych jako dodatkowe standardy emisyjne, które nie mogą być przekraczane przez instalacje tego typu. Przedmiotem tego artykułu jest propozycja skonstruowania obiektywnego narzędzia wyników monitoringu (niezależnego od kompetencji eksperta i jego subiektywnych uwarunkowań). Narzędzie to pozwoli również na klasyfikację wysypiska w kontekście BAT.
2. Charakterystyka rozwiązania
Do automatycznej oceny jakości wód podziemnych użyta zostanie sieć neuronowa typu IAC rozpięta nad
bazą danych dotyczących oceny jakości wód dla sąsiedztwa kilkunastu składowisk. 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.
Materiały na podstawie których dokonano budowy programu eksperckiego to sprawozdania z badań monitoringu środowiska wokół eksploatowanych i nieeksploatowanych składowisk odpadów komunalnych. Opracowania
te udostępnił Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska w Łodzi. Wykorzystano wyniki pomiarów obejmujące
badania wód powierzchniowych, podziemnych i odciekowych dla 13 składowisk. Uproszczona baza danych zawiera kilkadziesiąt wartości atrybutów, które zostały wymienione poniżej podzielone na 5 głównych kategorii ze względu na przedstawiony charakter informacji, które zawierają. 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).
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.
Literatura:
[65] BIEŃ J., REWIŃSKI S., SMOK – Kompleksowy system zarządzania mostami kolejowymi, Inżynieria i Budownictwo 3, 180–185, 1996.
[66] 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,
84
PT 6. Innowacyjne metody tworzenia i wykorzystywania komputerowej reprezentacji wiedzy w inżynierii lądowej, kształtowanie infrastruktury transportowej...
Zastosowanie SSN-IAC sprzężonej z bazą danych
do opisu sieci rzecznej i kanalizacyjnej w Łodzi
Barbara Michalska – Politechnika Łódzka, Łódź, barbara.michalska@p.lodz.pl
Marcin Krasiński – Politechnika Łódzka ,Łódź, marcin.krasinski@p.lodz.pl
Marek Lefik – Politechnika Łódzka, Łódź, marek.lefik@p.lodz.pl
1. Sformułowanie problemu
W tym artykule przedstawione zostanie pewne wstępne obserwacje dotyczące wpływu cech przyrodniczych obszaru geograficznego na rozwój oraz problemy przemysłu i osadnictwa oraz wzajemnego wpływu
osadnictwa i aktywności przemysłowej na środowisko geograficzne, którego aktywność ta dotyczy. To wzajemne oddziaływanie, mające cechy sprzężenia zwrotnego, przeanalizowane zostanie na przykładzie Łodzi,
a dokładniej – doliny rzeki Jasień. Wstępność tych rozważań polega na tym, że autorzy przygotowują narzędzie analizy numerycznej dynamiki tego wzajemnego wpływu, które jest na etapie prób jakościowych. Skrót
SSN-IAC oznacza „sztuczne sieci neuronowe typu wzajemna interakcja i konkurencja” (Interactive Activation and Competition). Tego typu sieć neuronowa jest podstawą konstrukcji „inteligentnej” powłoki nad bazą danych dotyczących sieci rzecznej i kanalizacyjnej miasta. Dotychczas dane takie zbierane są w formie
opracowań rozproszonych (dotyczących fragmentów systemu), o charakterze ekspertyz. W zarządzaniu
i tworzeniu wielkich zbiorów danych, jak te dotyczące opisu systemu hydrologicznego miasta, używa się, jak
dotąd, w niewielkim stopniu „miękkich” narzędzi analizy numerycznej, takich jak sieci neuronowe [1]. Automatyczna i syntetyczna analiza tych danych jest niemal niemożliwa. 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. Jest oczywiste, że szybka degradacja zasobów wodnych i zmiana charakteru środowiska geograficznego Łodzi była ceną burzliwego rozwoju przemysłu włókienniczego i przemysłów pokrewnych, związanych z włókiennictwem w sposób technologiczny i socjalny. Analiza tych procesów
jest istotna, gdyż ocena szybkości procesów degradacji i analiza jej mechanizmów jest ważna z poznawczego
i praktycznego punktu widzenia. Konsekwencje tych procesów dla rozwoju miasta są również ciekawe: analiza możliwości rewitalizacji zasobów wodnych przy użyciu współczesnych technik, analiza wpływu nieprzepuszczalnego dla wody przekrycia wielkich powierzchni terenu na gospodarkę wodną (cieki powierzchniowe, system kanalizacji, stan wód gruntowych) – są ważnym uzasadnieniem podjęcia tego tematu.
2. Charakterystyka rozwiązania
Badanie danych (Data Mining) to proces analizy danych zmierzający do odkrycia nieznanej dotąd wiedzy
ukrytej w danych lub przedstawienia wiedzy zawarte w danych w postaci komunikatywnej. Źródłem dla poszukiwania wiedzy w danych są zwykle duże zbiory danych. System informacji geograficznej służy do zarządzania zasobami w ujęciu regionalnym. Przedstawiona w artykule baza danych jest skonstruowana „przekrojami”.
W każdym przekroju (dowolnej rzeki, w prezentowanym przypadku – rzeki Jasień) podaje się dane identyfikacyjne przekroju (km, współrzędne geograficzne, charakterystyki koryta, przepływu, ekstremalne obserwacje
i inne). Opis proponowany w [2] jest tu rozszerzony o dane geotechniczne oraz dane o budowlach inżynierskich. Przedstawiona zostanie wersja wstępna „inteligentnej” bazy danych, która będzie zastosowana do analizy systemu rzek i kanalizacji w przypadku aglomeracji Łódzkiej. W przyszłości proponowana struktura programowa może spełnić funkcję programu eksperckiego wspomagającego decyzje administracyjne i techniczne
związane ze zrównoważonym rozwojem aglomeracji. Aspekt poznawczy artykułu polega na przedstawieniu
przydatności zastosowania tych właśnie narzędzi analizy numerycznej w interdyscyplinarnych zagadnieniach
będących przedmiotem zainteresowania geografii, geotechniki i praktyki zarządzania.
Literatura:
[67] Krzanowski S., Wałęga., Zastosowanie sztucznych sieci neuronowych do predykcji szeregów czasowych stanów wody i przepływów w rzece,
Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus 6 (4) 2007, 59–73.
[68] Szoskiewicz K., Zgoła T., Jusik Sz., Hryc-Jusik B., Hugh Dawson F., Raven P., Hydromorfologiczna ocena wód płynących, Poznań-Warrington, 2011, 163 s.
85
PT 6. Innowacyjne metody tworzenia i wykorzystywania komputerowej reprezentacji wiedzy w inżynierii lądowej, kształtowanie infrastruktury transportowej...
Typowe błędy infrastruktury drogowej
i możliwości ich eliminacji – analizy wypadków
Wojciech Kustra – Politechnika Gdańska, Gdańsk, castrol@pg.gda.pl
Marcin Budzyński –Politechnika Gdańska ,Gdańsk, mbudz@pg.gda.pl
Stanisław Gaca – Politechnika Krakowska, Kraków, sgaca@pk.edu.pl
1. Analizy danych o wypadkach jako źródło wiedzy o błędach
infrastruktury drogowej
Cel analiz i ich zakres
Ogólnym celem tematu T6.5 jest rozwój naukowych podstaw projektowania infrastruktury drogowej wraz
z wypracowaniem zaleceń do praktycznego wdrażania nowych rozwiązań budowlanych i częściowo środków
organizacji ruchu gwarantujących wyższy poziom bezpieczeństwa ruchu. Realizacja tego typu zaleceń może
następować poprzez zmiany przepisów techniczno-budowlanych obowiązujących w drogownictwie. Opracowanie wskazań do zmiany tych przepisów jest jednym z podstawowych celów projektu. Wraz z ogólnymi
wskazaniami zmian przewiduje się także przedstawienie koncepcji uwzględniania prognozowania ryzyka
w projektowaniu szczegółowych rozwiązań infrastruktury drogowej oraz opracowanie narzędzi umożliwiających wprowadzenie związanych z tym procedur.
Poziom bezpieczeństwa ruchu jest zwykle oceniany poprzez częstość występowania zdarzeń drogowych,
które są najczęściej skutkiem zawodności funkcjonowania systemu „człowiek – droga – pojazd – środowisko
drogi”. W tym systemie niezwykle ważną rolę odgrywają interakcje pomiędzy jego poszczególnymi elementami, co powoduje, że mimo dominującej roli „człowieka”, także inne elementy systemu mają, lub w określonych warunkach mogą mieć, duże znaczenie dla zapewnienia pożądanego poziomu bezpieczeństwa ruchu.
W celu identyfikacji tych elementów podjęto następujące prace:
● analizy danych statystycznych o wypadkach, poszukując powiązania pomiędzy różnymi rozwiązaniami infrastruktury drogowej, a rejestrowanymi na nich zdarzeniami drogowymi i rolą samej infrastruktury w odniesieniu do pośrednich lub bezpośrednich przyczyn tych zdarzeń. Analizami objęto całą sieć dróg krajowych,
● identyfikacja typowych błędów rozwiązań infrastrukturalnych na podstawie szczegółowych analiz miejsc
koncentracji wypadków w odniesieniu do dróg krajowych i regionalnych,
● identyfikacja typowych błędów rozwiązań infrastrukturalnych na podstawie opracowań audytu bezpieczeństwa
ruchu drogowego.
Wyniki analiz danych o wypadkach
W efekcie przeprowadzonych analiz zidentyfikowano okoliczności wypadków wskazując na te z nich, które mają duży związek z infrastrukturą drogową. Należą do nich głównie:
● prędkość jako jedna z głównych przyczyn powstawania wypadków drogowych – możliwy istotny wpływ infrastruktury drogowej wynikający m.in. z braku hierarchizacji sieci drogowej oraz niedostosowania rozwiązań drogowych do funkcji drogi a także brak fizycznych środków wymuszających redukcję prędkości w miejscach kolizyjnych,
● zderzenia czołowe wynikające m. in. z niewłaściwego doboru typu przekroju oraz ograniczeń możliwości
„bezpiecznego” wyprzedzania,
● bardzo duże zagrożenie bezpieczeństwa pieszych, w tym także dzieci oraz osób starszych powyżej 65 roku
– rola infrastruktury drogowej zawiera się w braku jej przystosowania do zróżnicowanych potrzeb pieszych,
● wypadki na skrzyżowaniach wynikające z zastosowań niewłaściwych typów skrzyżowań oraz błędów ich
rozwiązań szczegółowych,
● zderzenia z przeszkodami w otoczeniu dróg wynikające częściowo z braku szczegółowych zasad regulujących zagospodarowanie w otoczeniu dróg (dopuszczające występowanie przeszkód),
● wypadki z udziałem rowerzystów – możliwy istotny wpływ infrastruktury drogowej,
86
PT 6. Innowacyjne metody tworzenia i wykorzystywania komputerowej reprezentacji wiedzy w inżynierii lądowej, kształtowanie infrastruktury transportowej...
koncentracja wypadków na wybranych elementach sieci drogowej – bezpośredni związek z rozwiązaniami
infrastruktury drogowej.
W pracy określono także funkcyjne zależności pomiędzy wskaźnikami wypadkowymi a typami przekrojów poprzecznych oraz występowaniem zabudowy w otoczeniu dróg i natężeniem ruchu. Stwierdzono istotny wpływ typu przekroju na bezpieczeństwo ruchu oraz udziału długości odcinków z zabudową. Jako najbardziej niebezpieczny zidentyfikowano przekrój poprzeczny jednojezdniowy z szerokimi poboczami bitumicznymi, a najbardziej bezpiecznymi są autostrady i dwujezdniowe drogi ekspresowe..
●
2. Typowe błędy infrastruktury drogowej identyfikowane
w szczegółowych ocenach miejsc koncentracji wypadków
Efektem szczegółowych analiz miejsc koncentracji wypadków jest identyfikacja błędów infrastruktury,
które zostały ogólnie sklasyfikowane w niżej podanych grupach (wraz z określeniem potencjalnych przyczyn
powstawania tych błędów):
● przekrój poprzeczny drogi: niewłaściwy dobór szerokości i liczby pasów ruchu, poboczy i pasów dzielących,
niezachowanie wymaganych odległości do przeszkód bocznych,
● plan sytuacyjny i profil podłużny drogi: niewłaściwy dobór promieni łuków poziomych i proporcji pomiędzy nimi, braki ciągłości optycznej, ograniczenia widoczności,
● braki wymaganej widoczności na skrzyżowaniach i w ciągu drogi,
● błędy skrzyżowań i węzłów obejmujące głównie nieprawidłowy wybór ich typów oraz błędy rozwiązań
szczegółowych,
● organizacja ruchu: stan oznakowania poziomego i pionowego, sterowanie ruchem.
Odrębną grupę przyczyn zdarzeń drogowych stanowią uwarunkowania praktyki planistycznej, które zestawiono w następujących grupach:
● planowanie miast w postaci dzielnic monofunkcyjnych,
● brak lub niski poziom integracji transportu zbiorowego,
● brak hierarchizacji sieci drogowej i kontroli dostępności z racjonalnym kształtowaniem otoczenia dróg, wielofunkcyjność przeważającej długości głównych dróg i ulic, mieszana struktura potoków pojazdów na drogach (szybkie samochody osobowe i ciężarowe, ciągniki, rowery i ruch pieszy),
● brak dobrze zorganizowanych parkingów samochodowych i rowerowych w tym systemu „Park and ride”,
● błędy lokalizacji obiektów koncentrujących ruch pieszych w pobliżu dróg o dużym natężeniu ruchu,
● lokalizowanie terminali baz transportowych i innych obiektów wywołujących ruch ciężarowy w obszarach
zabudowy mieszkaniowej,
● brak układów dróg rowerowych,
● stosowanie niejednolitych zasad projektowania dróg, ulic i skrzyżowań,
● zła lokalizacja wielkopowierzchniowych centrów handlowych i nieprawidłowe ich powiązania z układem
transportowym,
● próby naprawiania złych rozwiązań geometrycznych skomplikowaną organizacją ruchu.
Dla każdej z powyżej podanych grup błędów opisano szczegółowy zbiór błędów wraz z diagnozą potencjalnych przyczyn oraz możliwościami ich eliminacji poprzez zmiany dotychczasowych reguł planowania
i projektowania.
87
PT 6. Innowacyjne metody tworzenia i wykorzystywania komputerowej reprezentacji wiedzy w inżynierii lądowej, kształtowanie infrastruktury transportowej...
Typowe błędy infrastruktury drogowej
i możliwości ich eliminacji – identyfikacja i kierunki działań
Stanisław Gaca – Politechnika Krakowska, Kraków, sgaca@pk.edu.pl
Mariusz Kieć – Politechnika Krakowska, Kraków, mkiec@pk.edu.pl
Lech Michalski – Politechnika Gdańska, Gdańsk, michal@pg.gda.pl
1. Potencjalne przyczyny typowych błędów infrastruktury drogowej
Poszukując możliwości poprawy bezpieczeństwa ruchu drogowego poprzez zmiany infrastruktury drogowej, wyniki analiz danych o wypadkach uzupełniono przeglądem opracowań audytu bezpieczeństwa ruchu drogowego. W efekcie tych analiz sklasyfikowano typowe błędy w następujących grupach: błędy o charakterze planistycznym, błędy dotyczące założeń projektowych, błędy doboru typu przekroju poprzecznego, błędy w zakresie ustalania trasy i profilu podłużnego drogi, błędy skrzyżowań i węzłów, błędy urządzeń
dla niechronionych uczestników ruchu oraz urządzeń transportu zbiorowego. Ponadto ocenie poddano projekty organizacji ruchu wskazując także na typowe błędy.
Łączne zestawienia błędów identyfikowanych w ramach analiz danych o wypadkach, ocen miejsc
koncentracji wypadków oraz opracowań audytu były podstawą do dalszego poszukiwania środków ich
eliminacji.
Określono następujące, potencjalne przyczyny błędów:
● stosowanie przepisów i materiałów pomocniczych zawierających „niewłaściwe” sformułowania,
● pomijanie w przepisach technicznych istotnych uwarunkowań bezpieczeństwa ruchu,
● niewłaściwe zastosowanie (interpretacja) przepisów technicznych, braki wiedzy projektantów,
● ignorowanie przepisów technicznych lub świadome stosowanie odstępstw,
● koncentracja uwagi planistów i projektantów na sprawach ekonomicznych, realizacyjnych i ochrony środowiska z drugorzędną rolą bezpieczeństwa ruchu, które były szczegółowo rozważane w odniesieniu do
typowych błędów występujących na polskich drogach.
Na podstawie takich analiz wskazano m.in. na mankamenty przepisów techniczno-budowlanych odnoszących się do infrastruktury drogowej, z równoczesnym określeniem błędów, które można byłoby eliminować przez zmiany tych przepisów.
2. Niezbędne kierunki zmian przepisów techniczno-budowlanych
i narzędzia wspomagające projektowanie
W celu poprawy jakość procesu projektowania infrastruktury drogowej w zakresie bezpieczeństwa rozważane są dwa uzupełniające się obszary działań:
● doskonalenie przepisów i związanych z nimi szczegółowych instrukcji, przewodników oraz katalogów,
● wprowadzanie narzędzi zarządzania brd, zwłaszcza metod oceny oddziaływania na bezpieczeństwo ruchu
i audytu bezpieczeństwa ruchu.
W pracy przedstawiono zakres niezbędnych działań dla doskonalenia przepisów projektowania. Ogólne
kierunki tych zmian sformułowano następująco:
● wprowadzenie jednoznacznych definicji i określeń eliminujących dowolne interpretacje przez użytkowników przepisów,
● wprowadzenie jednoznacznych standardów bezpieczeństwa ruchu poprzez wyznaczenie dopuszczalnych
klas ryzyka wraz ze stworzeniem narzędzi dla oceny tego ryzyka,
● wprowadzenie metod ocen wpływu na brd odstępstw od warunków technicznych i standardów brd,
● wprowadzenie formalnych wymagań w zakresie kształtowania bezpiecznego otoczenia drogi i form zagospodarowania tego otoczenia.
Ocena typowych błędów stała się także podstawą do sformułowania zakresu zagadnień, które powinny
być ujęte w szczegółowych zapisach formalnych wymagań projektowych. Obejmują one:
● stworzenie formalnych podstaw do budowy dróg określanych jako „samo-objaśniające”, tj. o wyraźnie rozdzielonych funkcjach i standardzie technicznym zgodnym z przyjętą funkcją, która powinna być jednoznacznie identyfikowana przez użytkowników,
88
PT 6. Innowacyjne metody tworzenia i wykorzystywania komputerowej reprezentacji wiedzy w inżynierii lądowej, kształtowanie infrastruktury transportowej...
zintegrowanie projektowania geometrycznego z projektowaniem organizacji ruchu, środków bezpieczeństwa ruchu i wprowadzaniem środków zrządzania prędkością,
● wprowadzenie bardziej uniwersalnego pojęcia prędkości projektowania nawiązującej do funkcji drogi i oczekiwań jej użytkowników,
● standaryzację przekrojów poprzecznych dróg z eliminacją przekrojów niebezpiecznych,
● dostosowanie wartości granicznych parametrów dróg, skrzyżowań i węzłów do współczesnych modeli ruchu z uwzględnieniem zmian cech dróg, cech pojazdów oraz zachowań uczestników ruchu,
● weryfikację wymagań w zakresie odległości widoczności na odcinkach drogi jak i wymaganych pól widoczności na skrzyżowaniach oraz węzłach,
● wyposażenie drogi i jej otoczenia zapewniające uzyskanie rozwiązań bezpiecznych, w tym „wybaczających
„błędy kierowców.
● wprowadzenie odrębnych grup technicznych ograniczeń dla parametrów dróg, skrzyżowań i węzłów w zależności od ich lokalizacji i rzeczywiście pełnionych funkcji,
● określenie szczegółowych wymagań w zakresie środków uspokojenia ruchu dla różnych przypadków ich zastosowań,
● wprowadzenie formalnych wymagań dotyczących przejezdności skrzyżowań i jezdni manewrowych dla różnych typów pojazdów,
● uściślenie i rozszerzenie zasad wymiarowania urządzeń dla ruchu pieszego i rowerowego,
● uwzględnienie w projektowaniu geometrycznym i organizacji ruchu wyposażenia w środki inteligentnych
systemów transportowych wpływających na podniesienie bezpieczeństwa ruchu.
Podane powyżej propozycje odniesiono do aktualnych trendów występujących w praktyce projektowania
innych krajów europejskich. Wraz z wyznaczeniem podstawowych kierunków zmian przepisów projektowania wskazano także na konieczność zmiany struktury obowiązujących obecnie przepisów techniczno-budowlanych w drogownictwie. Propozycja ta obejmuje wyodrębnienie przepisów obligatoryjnych, wytycznych i zaleceń prezentujących tzw. dobrą praktykę.
Podstawowym narzędziem wspomagania projektowania są metody oceny ryzyka na sieci dróg oraz w odniesieniu do poszczególnych elementów tej sieci. W pracy przedstawione są wyniki przeglądu stosowanych
modeli predykcji wypadków i metod oceny wpływu infrastruktury drogowej na bezpieczeństwo ruchu, ze
szczególnym uwzględnieniem modeli uogólnionej regresji liniowej z funkcjami wiążącymi typu logarytm naturalny. Struktura tych modeli odpowiada ogólnemu sformułowaniu modeli ryzyka, ujmując zmienne wystawienia na ryzyko i zmienne determinujące prawdopodobieństwo błędu uczestników ruchu oraz skutków zdarzeń drogowych. Dla oceny ryzyka wypadków analizowano zastosowanie torii ryzyka wraz z określeniem
możliwości jego klasyfikacji, głównie na podstawie projektu Euro-RAP. Pokazano przykład analizy ryzyka na
sieci dróg krajowych. Ponadto analizowano możliwości wykorzystania wskaźnikowej oceny wpływu różnych
rozwiązań infrastruktury drogowej na bezpieczeństwo ruchu.
●
89
PT 7
Oszczędność energii i problemy
zrównoważonego rozwoju
w budownictwie
PT 7. Oszczędność energii i problemy zrównoważonego rozwoju w budownictwie
Wybrane metody optymalizacyjne w budownictwie
energoszczędnym
Arkadiusz Węglarz – Politechnika Warszawska, Warszawa, a.weglarz@il.pw.edu.pl
Mariola Książek – Politechnika Warszawska, Warszawa, m.ksiazek@il.pw.edu.pl
Krzysztof Żmijewski – Politechnika Warszawska, Warszawa, k.zmijewski@il.pw.edu.pl
1. Wstęp
Celem naukowym tematu badawczego PT7.1 Metody komputerowej optymalizacji projektowania budynków przyjaznych dla środowiska z wykorzystaniem oceny LCA jest 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 jest umożliwienie projektowania budynków optymalizującego ich
negatywny wpływ na środowisko w całym cyklu życia (LCA). Poniżej przedstawiono wybrane metody optymalizacji przewidziane do wykorzystania w programie komputerowym będącym końcowym rezultatem pracy w ramach tematu PT7.1.
2. Wybrane metody optymalizacyjne
Zadania optymalizacyjne
W niniejszej pracy badawczej sformułowano kilka zadań optymalizacyjnych, dla których następnie przeanalizowano możliwość zastosowania kilku metod optymalizacji wielokryterialnej w celu rozwiązania tych
zadań. Poniżej opisano jedno z zadań i dwie metody jego rozwiązania.
Sformułowany w pracy problem decyzyjny (wielokryterialny) składa się z trzech kryteriów cząstkowych:
Kryterium I: Minimum rocznych kosztów emisji zanieczyszczeń do atmosfery powstałych w wyniku spalania paliw do ogrzewania budynku
Kryterium II: Minimum energii skumulowanej w materiałach, przeznaczonych na budowę przegród
zewnętrznych budynku,
Kryterium III: Minimum dodatkowych kosztów inwestycji niezbędnych do osiągnięcia lepszego
standardu energetycznego od standardu budynku referencyjnego wykonanego według obowiązujących przepisów Prawa Budowlanego.
Zbiór kryteriów i wariantów jest skończony więc można zastosować metody dyskretne.
Metoda sumy ważonej
Zadanie wielokryterialne rozwiązano metodą sumy ważonej (średniej ważonej) czyli sprowadzono je do
zadania jednokryterialnego nadając poszczególnym kryteriom cząstkowym wagi. Wagi zostały określone
w wyniki badań ankietowych wśród inwestorów.
Funkcja Kryterium:
Minimum F (x1, x2, x3, x4, x5,) =
skończony dyskretny zbiór wariantów technologicznych budynku
gdzie:
– F1 – unormowana funkcja rocznych kosztów emisji zanieczyszczeń do atmosfery o wartościach bezwymiarowych z przedziału < 0,1>,
– F2 – unormowana funkcja energii skumulowanej w materiałach budowlanych przegród zewnętrznych obiektu – o wartościach bezwymiarowych z przedziału < 0,1>,
– F3- unormowana funkcja dodatkowych kosztów inwestycji o wartościach bezwymiarowych z przedziału < 0,1>,
92
PT 7. Oszczędność energii i problemy zrównoważonego rozwoju w budownictwie
– x1 – grubość ocieplenia lub współczynnik przewodności cieplnej Us w [W/m2 K ] dla ścian zewnętrznych,
– x2 – grubość ocieplenia lub współczynnik przewodności cieplnej Ud w [W/m2 K ] dla dachu lub stropodachu,
– x3 – grubość ocieplenia lub współczynnik przewodności cieplnej Up w [W/m2 K ] dla podłogi na gruncie,
– x4 – współczynnik przewodności cieplnej Uo w [W/m2 K ] dla okien
– x5 – sposób ogrzewania budynku np. kocioł na gaz zimny
– w1, w2, w3 – wagi odpowiadające poszczególnym funkcjom cząstkowym funkcji kryterium – liczby z przedziału (0,1).
Unormowanie funkcji kryteriów cząstkowych polega na podzieleniu wartości tych funkcji dla poszczególnych wariantów technologicznych przez maksymalne wartości tych funkcji, w efekcie otrzymuje się bezwymiarowe wartości z przedziału <0,1>
Ponieważ zbiór wariantów konstrukcyjno – materiałowych jest zbiorem dyskretnym skończonym to wyznaczenie minimum funkcji F(x1, x2, x3, x4, x5,) da nam konkretne rozwiązanie zadania optymalizacyjnego.
3. Metoda ELECTRE
Metoda ELECTRE (fr. Elimination et Choice Translating Reality) opiera się na pojęciu częściowego uporządkowania alternatyw oraz ich porównywaniu parami. Na tej podstawie tworzone są zbiory zgodności i niezgodności. W efekcie otrzymywany jest graf przedstawiający uporządkowanie alternatyw. Oczywiście, na
wstępie do tej metody trzeba wprowadzić zbiór wariantów decyzyjnych oraz rodzinę kryteriów). Należy wprowadzić dodatkowo:
● wagi kryteriów – każde kryterium otrzymuje pewną liczbę ki, oznaczającą ważność tego kryterium; oczywiście, im większa liczba, tym kryterium bardziej się liczy w stosunku do innych. Wagi mogą być dowolnymi
liczbami dodatnimi z dowolnego zakresu,
● progi na kryteriach – pozwalają opisać typy preferencji (silną słabą) w zależności od różnicy między dwoma wariantami na danym kryterium. Próg nierozróżnialności, mówi o ile muszą się różnić dwa warianty na
danym kryterium, aby przestały być uważane za nierozróżnialne (poniżej tego progu uznaje się, że są takie
same). Próg preferencji,, mówi o ile muszą się różnić dwa warianty, aby jeden był silnie preferowany nad
drugi. W szczególnym przypadku można uzyskać uporządkowanie bez preferencji dotyczącej wybranych alternatyw.
4. Podsumowanie
W prowadzonych w ramach tematu badań oprócz wyżej opisanych metod optymalizacyjnych analizowano metody: AHP, entropii, punktu idealnego oraz autorską metodę optymalizacji opartą na elementach logiki rozmytej. Wszystkie te metody oceny wielokryterialnej nadają się do prowadzenia analizy rozwiązań projektowych budynków energooszczędnych, ponieważ:
● mogą obejmować wszystkie rozpatrywane kryteria,
● szeregują jednoznacznie wybór rozwiązania najlepszego spośród dostępnych wariantów,
● prowadza do rozwiązania w sposób nieskomplikowany, ze stosunkowo niewielką liczbą obliczeń,
● są podatne na implementacje komputerową.
Odpowiednio skonstruowany system informatyczny pozwoli na równoczesne lub pojedyncze użycie ww.
metod optymalnych. Budowa takiego systemu informatycznego będzie realizowana w kolejnym etapie badań
tematu PT7.1 Metody komputerowej optymalizacji projektowania budynków przyjaznych dla środowiska
z wykorzystaniem oceny LCA.
Literatura:
[71] OLĘDZKA D. WĘGLARZ A., ŻMIJEWSKI K. H., Projektowanie polioptymalnych budynków przyjaznych środowisku, Izolacje, 2007,09,
s. 22–24.
[72] KSIĄŻEK M., Wielokryterialna ocena rozwiązań projektowych budynków, rozprawa doktorska, Politechnika Warszawska Wydział Inżynierii Lądowej, Warszawa 2010.
93
PT 7. Oszczędność energii i problemy zrównoważonego rozwoju w budownictwie
Metoda oceny budynków użyteczności publicznej
z pasywnymi systemami wykorzystania energii słonecznej
pod kątem oszczędności energii
oraz komfortu cieplnego i wizualnego ludzi
Henryk Nowak – Politechnika Wrocławska, Wrocław, henryk.nowak@pwr.wroc.pl
Łukasz Nowak – Politechnika Wrocławska, Wrocław, lukasz.nowak@pwr.wroc.pl
Elżbieta Śliwińska – Politechnika Wrocławska, Wrocław, elzbieta.sliwinska@pwr.wroc.pl
Maja Staniec – Politechnika Wrocławska, Wrocław, maja.staniec@pwr.wroc.pl
Kierownik tematu badawczego: dr hab. inż. Henryk Nowak, prof. PWr
1. Ogólny opis tematu badawczego
Głównym 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.
W trakcie realizacji projektu badawczego prowadzone są badania symulacyjne oraz badania
eksperymentalne w budynkach istniejących, w zakresie umożliwiającym rozwiązanie głównych
problemów badawczych i osiągnięcie zamierzonych celów naukowych i aplikacyjnych projektu.
Kompleksowe badania symulacyjne w zakresie doboru radiacyjnych charakterystyk powłok spektralnie selektywnych stosowanych w zestawach szyb zespolonych i w fasadach przeszklonych,
analizę dynamicznych cieplnych właściwości przegród budowlanych, badania komfortu cieplnego
i wizualnego ludzi w pomieszczeniach, badania bilansu cieplnego budynku w skali roku (wg tzw.
symulacyjnego modelu obliczeniowego) oraz obliczenia systemów zacieniających są wykonane
profesjonalnymi programami komputerowymi, opracowanymi w Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL, USA). Autorzy tematu badawczego są w posiadaniu wymienionych programów
i mają uprawnienia do ich stosowania do celów naukowych oraz do ich aktualizacji.
Analiza obliczeniowa bilansu energetycznego będzie uwzględniać kształt bryły budynku, wielkość okien
i ich zorientowanie względem stron świata, rodzaj zastosowanych zestawów szyb zespolonych, charakterystyki radiacyjne powłok spektralnie selektywnych na szybach, rodzaj szkła okiennego, różne typy systemów zacieniających elewacje, charakterystyki cieplne przegród nieprzezroczystych, pojemność cieplną ścian zewnętrznych i wewnętrznych, itp.
Niezależnie od szerokiego zakresu badań symulacyjnych będzie przeprowadzona weryfikacja doświadczalna
w budynkach istniejących. Z uwagi na specyfikę prowadzenia badań w budynkach, zwłaszcza w budynkach wielokondygnacyjnych, możliwa będzie weryfikacja wybranych zagadnień. Badania te, podobnie jak badania symulacyjne, będą prowadzone w różnych porach roku z wykorzystaniem, między innymi, aparatury do pomiarów elementów mikroklimatu pomieszczeń i komfortu cieplnego ludzi „Thermal Comfort Data Logger, Type 1221” (Dania).
●
Wymiernym i udokumentowanym efektem podjętego problemu badawczego będą, m.in.,
metoda oceny oraz wytyczne do projektowania budynków użyteczności publicznej w zakresie:
a) doboru i rozmieszczenia elewacyjnych systemów zacieniających, rodzaju szyb okiennych i fasad przeszklonych z powłokami cienkowarstwowymi o odpowiednich charakterystykach radiacyjnych, pod ką-
94
PT 7. Oszczędność energii i problemy zrównoważonego rozwoju w budownictwie
tem kształtowania bilansu cieplnego budynku w skali roku, mikroklimatu pomieszczeń oraz komfortu
cieplnego i wizualnego ludzi w pomieszczeniach,
b) doboru rodzaju materiałów ścian wewnętrznych i zewnętrznych zapewniających ich odpowiednią dynamikę cieplną w celu wykorzystania ich pojemności cieplnej do poprawy stateczności cieplnej pomieszczeń,
● publikacje naukowe w czasopismach krajowych i zagranicznych,
● referaty na krajowych i międzynarodowych konferencjach naukowych,
Temat badawczy jest realizowany przez pracowników Instytutu Budownictwa Politechniki Wrocławskiej.
95
PT 7. Oszczędność energii i problemy zrównoważonego rozwoju w budownictwie
Metody badań i oceny komfortu akustycznego
budynków mieszkalnych
Barbara Szudrowicz – Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa, b.szudrowicz@itb.pl
Anna Iżewska – Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa, a.izewska@itb.pl
1. Wprowadzenie
Wymagania ludzi w stosunku komfortu akustycznego w miejscu zamieszkania są bardzo zróżnicowane.
Zależy to od bardzo wielu czynników, wśród których można wymienić zarówno względy kulturowe jak też
poziom zaspokojenia w danym państwie potrzeb mieszkalnych oraz możliwości ekonomiczne państwa i społeczeństwa. Wychodząc naprzeciw tym zróżnicowanym potrzebom w wielu państwach europejskich wprowadzono kategoryzacje akustyczną budynków mieszkalnych (np. Anglia, Francja, Niemcy, państwa skandynawskie) polegającą na określeniu klas akustycznych budynków, które reprezentują zróżnicowane wymagania
akustyczne, a w rezultacie zróżnicowany komfort akustyczny w miejscu zamieszkania. W tym zakresie Polska pozostała w tyle. W polskich przepisach istnieją wymagania akustyczne określające jedynie minimalne
parametry akustyczne budynków mieszkalnych (Ustawa Prawo Budowlane, Rozporządzenie w sprawie warunków, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie). Pomimo stosunkowo niskiego poziomu tych
wymagań w bardzo wielu przypadkach nie są one przestrzegane. Stosowane przez deweloperów pojęcie podwyższonego standardu budynku mieszkalnego zazwyczaj nie obejmuje lepszych parametrów akustycznych
a więc jest mylące dla wielu nabywców mieszkań.
Celem projektu jest stworzenie podstaw merytorycznych do wprowadzenie w Polsce, wzorem szeregu innych państw europejskich, kategoryzacji akustycznej budynków mieszkalnych obejmującej istniejącą klasę
o minimalnych wymaganiach akustycznych, których spełnienie jest obligatoryjne oraz klasy o odpowiednio
wyższych wymaganiach, których spełnienie będzie dobrowolne. Klasy akustyczne staną się dogodnym narzędziem do prostego określenia kompleksowych parametrów akustycznych budynków. Zakłada się, że ich wprowadzenie przyczyni się do wzrostu konkurencji między firmami deweloperskimi a tym samym do zwiększenia innowacyjności i konkurencyjności jednostek projektowych, wykonawczych i producentów wyrobów budowlanych, co w efekcie powinno przyczynić się do poprawy jakości akustycznej wznoszonych budynków
mieszkalnych.
2. Klasy akustyczne budynków mieszkalnych – wymagania
Klasy akustyczne budynków mieszkalnych zostały zdefiniowane poprzez wymagania w stosunku do poszczególnych parametrów akustycznych budynku mających wpływ na ochronę pomieszczeń przed hałasem
zewnętrznym (A), hałasem wewnętrznym instalacyjnym (B) oraz bytowym powietrznym (C1) i uderzeniowym (C2) przenikającym do mieszkania z pomieszczeń przyległych, hałasem bytowym przenikającym między pomieszczeniami w obrębie mieszkania – powietrznym (D1) i uderzeniowym (D2) a także hałasem pogłosowym (E), przy czym w tym przypadku dotyczy to wyłącznie obszarów komunikacji ogólnej w budynku.
Ten zakres ochrony wynika z przepisów polskich a także jest zgodny z przepisami i normami europejskimi.
Stopień ochrony akustycznej całego budynku, lub pojedynczego mieszkania wyraża się konkretnymi parametrami akustycznymi budynku powiązanymi z podanymi wyżej zakresami ochrony przeciwhałasowej. Założenie różnego stopnia ochrony akustycznej przekładającego się na zróżnicowane wymagania w stosunku
do poszczególnych parametrów akustycznych budynku (mieszkania) prowadzi wprost do klasyfikacji akustycznej obiektu.
Przyjęto 4 klasy akustyczne:
● Klasa AQ-0 standard podstawowy – wymagania obligatoryjne określone aktualnymi normami przywołanymi w Rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie,
● Klasa AQ-1 standard wyższy 1-go stopnia,
● Klasa AQ-2 standard wyższy 2-go stopnia,
● Klasa AQ-3 standard wyższy 3-go stopnia.
W odniesieniu do każdej klasy akustycznej od AQ-1 do AQ-3 został opracowany i skwantyfikowany zbiór
parametrów akustycznych, którymi powinien charakteryzować się budynek (mieszkanie), aby mógł być za-
96
PT 7. Oszczędność energii i problemy zrównoważonego rozwoju w budownictwie
kwalifikowany do danej klasy akustycznej. Dla każdej klasy akustycznej mamy, zatem, 5 zbiorów wymagań
(w tym 2 zbiory posiadające dwa podzbiory) odnoszących się do poszczególnych parametrów akustycznych
budynku (mieszkania). Określono je jako wymagania cząstkowe.
Opracowując wymagania dla poszczególnych klas akustycznych zwrócono uwagę na zachowanie prawidłowych proporcji między poszczególnymi składowymi klimatu akustycznego, opisanymi za pomocą wskaźników cząstkowych. Wykorzystano przy tym doświadczenia Zakładu Akustyki ITB wynikające z pro-wadzonych wcześniej prac badawczych jak również licznych kontaktów z biurami projektów, producentami wyrobów budowlanych, firmami wykonawczymi oraz mieszkańcami.
3. Zasady ustalania klasy akustycznej budynku mieszkalnego
Klasę akustyczną budynku mieszkalnego ustala się na podstawie wyników badań poszczególnych parametrów akustycznych gotowego budynku. Zostały opracowane zasady przeprowadzenia badań w budynku obejmujące zakres badań i dobór liczebności próby, metody przeprowadzenia pomiarów oraz zasady klasyfikacji
akustycznej budynku. Na podstawie wyników pomiarów należy określić cząstkową klasę akustyczną badanego budynku w stosunku do konkretnego zakresu ochrony przeciwhałasowej a następnie klasę akustyczną budynku, która odpowiada najniższej cząstkowej klasie akustycznej spośród badanych i ocenionych wszystkich
zakresów ochrony. Przykład zapisu klasyfikacji akustycznej budynku mieszkalnego w odniesieniu do poszczególnych zakresów ochrony przeciwhałasowej oraz klasyfikacji łącznej podano w tablicy.
Dodatkowe oznaczenie (+) przy symbolu klasy akustycznej budynku wskazuje na to, że niektóre parametry akustyczne spełniają wymagania wyższej klasy akustycznej niż klasa ustalona dla całego budynku.
W przypadkach uzasadnionych konkretną sytuacją w budynku lub wymaganiami właścicieli (użytkowników) można dopuścić klasyfikację akustyczną cząstkową odnoszącą się do ograniczonego zakresu ochrony;
musi być to wyraźnie zaznaczone przez podanie zakresów wyłączonych z ogólnej klasyfikacji.
Literatura:
[1] Iżewska A., Ocena subiektywno-obiektywna jakości akustycznej pomieszczeń w budynkach prefabrykowanych, Rozprawa doktorska, Promotor: prof. zw. dr hab. inż. Jerzy Sadowski, Warszawa, 1993
[2] Iżewska A., Syntetyczny wskaźnik oceny akustycznej projektu budynku, Projekt badawczy Nr 7 T07E 012 10, KBN, Warszawa, 1998
[3] NowickaA E. Szudrowicz B., Wpływ czasu pogłosu na ocenę izolacyjności akustycznej przegród międzymieszkaniowych. Materiały Konferencji Naukowej „Krynica 2005” Tom IV str. 235-243.
[4] Nurzyński J. Acoustic quality of dwellings, a concept of uniform classification scheme CESB 10 – Central Europe towards Sustainable Building Conference, Prague Czech Republic, 30June-2July 2010 s. 493–496. Prague: Grada Publishing, 2010
[5] Mirowska M. Nowe wskaźniki i kryteria oceny hałasu instalacyjnego w budynkach. Praca ITB nr 5.1.07/NA-60. Sprawozdanie końcowe
2009 r
[6] Mirowska M. Wpływ długotrwałego oddziaływania hałasu instalacyjnego o niskim poziomie na zdrowie mieszkańców. Proceedings of 15th
International Conference on Noise Control '10. Książ 6-7 czerwiec 2010, CIOP PIB 2010 r
[8] Rasmussen B., Sound insulation of dwellings – Overview of classification schemes in Europe, Euronoise 2003
[9] Rasmussen B., Concepts for evaluation of sound insulation of dwellings – from chaos to consensus, Forum Acousticum 2005 str. 2081-2092
[10] Szudrowicz B., Wymagania akustyczne w stosunku do budynków mieszkalnych – stopień realizacji oczekiwań społecznych. Materiały Budowlane nr 8'2006 (nr 408) str 2-5.
97
PT 7. Oszczędność energii i problemy zrównoważonego rozwoju w budownictwie
Mikroklimat pomieszczeń przy zastosowaniu
różnych rozwiązań konstrukcyjno-instalacyjnych
Jerzy Zb. Piotrowski – Politechnika Świętokrzyska, Kielce, piotrowski@tu.kielce.pl
Dorota Koruba – Politechnika Świętokrzyska, Kielce, dkoruba@tu.kielce.pl
Marek Telejko – Politechnika Świętokrzyska, Kielce, mtelejko@tu.kielce.pl
Ewa Zender-Świercz – Politechnika Świetokrzyska, Kielce, ezender@tu.kielce.pl
1. Wstęp
W dominujących przypadkach budynków nie tylko w Polsce wymiana powietrza odbywa się poprzez wentylację grawitacyjną. W najbliższym czasie w tym zakresie nie należy spodziewać się radykalnej zmiany,
a przy mankamentach wentylacji mechanicznej, oczekiwany jest rozwój instalacji hybrydowych lub wentylacji grawitacyjnej wspomaganej mechanicznie z elementami odzysku ciepła. Konieczne jest więc poszukiwanie w tym zakresie rozwiązań zarówno w aspekcie konstrukcyjnym jak i instalacyjnym. Rozwiązania konstrukcyjne powinny dotyczyć zarówno konfiguracji i szczelności przegród wewnętrznych i zewnętrznych [1],
jak i przede wszystkim konstrukcji przewodów kominowych [2]. Rozwiązania instalacyjne powinny udoskonalić technikę wspomagania mechanicznego z elementami poprawiającymi ekologiczność i energooszczędność układów poprzez zachowanie właściwej czystości nawiewanego powietrza, zastosowanie odzysku ciepła,
regulacji i sterowania. Referat ma charakter sprawozdania z przeprowadzonych eksperymentów w warunkach
rzeczywistych, w których badane były zależności stanu powietrza (fizykalnego, chemicznego i biologicznego) i wielkości jego wymiany w pomieszczeniach przy różnych rozwiązaniach konstrukcyjno-instalacyjnych.
Stan i wymiana powietrza decydują o jakości powietrza, a w konsekwencji mikroklimacie w pomieszczeniach.
Badania przeprowadzono w pomieszczeniach, w których wprowadzono zmiany w konstrukcji przegród oraz
w których zastosowano specjalny układ nawiewu kanałowego prowadzony przewodami kominowymi. Równocześnie podjęto próbę matematycznego modelowania procesu.
2. Analiza modelowa
Proces wentylacji grawitacyjnej opisują równania ciśnienia wyporowego i oddziaływania wiatru. W przypadku wspomagania mechanicznego niezbędne jest wprowadzenie ciśnienia od działania wentylatora.
W modelu przeanalizowano równania trzech ciśnień w układzie równań odpowiadających otworowi nawiewnemu i wywiewnemu. Tak skonstruowane równania poddano analizie dla systemu indywidualnego nawiewu kanałowego. Uzyskane równanie umożliwia nie tylko wyznaczenie wymiany powietrza, ale pozwala
na określenia zmiany temperatury powietrza w kanale. Ma to istotne znaczenie w analizie gradientu temperatury oraz wielkości niezbędnego, dodatkowego podgrzewania powietrza napływającego z zewnątrz do pomieszczenia.
3. Zmiany konstrukcyjne w przewodach kominowych i ścianach
Badania przeprowadzono w pomieszczeniach, gdzie zastosowano, specjalnie wbudowany na potrzeby badawcze indywidualny system nawiewny. Obejmuje on zmiany w konstrukcji części dolnych przewodów wentylacyjnych prowadzonych w zespołach kominowych. Umożliwia nawiew powietrza zewnętrznego do wewnętrznego korytarza łączącego poszczególne pomieszczenia, w tym wentylowane kanałami wentylacyjnymi
(kuchnie i pomieszczenia sanitarne). Badaniami objęto również lokale bez modyfikacji systemem nawiewnym, ale z wprowadzonymi dodatkowymi otworami w ścianach zewnętrznych i wewnętrznych. Porównano
stan i wymianę powietrza przed i po wprowadzonych zmianach.
4. Zmiany instalacyjne
Dla wspomagania wymiany powietrza systemem grawitacyjnym wprowadzono wentylator z regulowaną
prędkością w kanałach nawiewnych tuż za czerpnią powietrza. Zainstalowano również nagrzewnicę z regulacją temperatury. Zespół zainstalowanych filtrów pozwalał na ciągłe monitorowanie jakości napływającego
98
PT 7. Oszczędność energii i problemy zrównoważonego rozwoju w budownictwie
z zewnątrz powietrza. Całości sterowana ręcznie pozwoliła osiągnąć zmienność ilości napływającego powietrza i jego parametrów temperaturowych.
5. Wyniki badań
Pomiarami objęto wartości fizykalne powietrza: temperaturę, prędkość, wilgotność, ciśnienie, parametry
przepływowe, krotność wymiany powietrza. W zakres analizy chemicznej wchodziła analiza zmienności stężenia dwutlenku węgla i był to podstawowy parametr (znacznik) określający wymianę powietrza i komfort
mikroklimatu. Analizą biologiczną objęto zmienność pojawiających się zarodników pleśni i ich podatność na
rozwój w korelacji z czynnikami fizykalnymi powietrza oraz jego krotnością wymiany. Zależności między poszczególnymi parametrami przedstawiono na wykresach, które wyznaczały określony poziom jakościowy powietrza i mikroklimatu wewnętrznego pomieszczeń. Całość uzupełniono badaniami parametrów powietrza
zewnętrznego.
6. Wnioski
Otrzymany model matematyczny pozwala na określenie wymiany powietrza oraz zmienność temperatury
w kanałach nawiewnych. Uzyskane wyniki badań pozwalają określić przydatność wprowadzonych zmian konstrukcyjnych i instalacyjnych na jakość powietrza i mikroklimat wewnętrzny pomieszczeń. Pożądane jest
usprawnienie procesu badawczego przez zwiększenie możliwości regulacyjnych i sterowania zewnętrznego.
Niezbędne jest wprowadzenie instalacji odzyskującej ciepło. Dla weryfikacji modelu oraz akceptacji zmian
konstrukcyjno-instalacyjnych celowe jest kontynuowanie badań.
Literatura
[1] TELEJKO M., Microclimate in a Flat with Additional Air Intakes, Structure and Environment, Vol. 2, No. 1, 2010, pp. 46-52.
[2] PIOTROWSKI J., Indywidualny system nawiewny, patent nr PL 180999.
99
PT 8
Użytkowanie
i ochrona środowiska
w strategii
zrównoważonego rozwoju
PT 8. Użytkowanie i ochrona środowiska w strategii zrównoważonego rozwoju
Ograniczanie ładunków zanieczyszczeń
zrzucanych przez przelewy burzowe
kanalizacji ogólnospławnej
Marek Zawilski – Politechnika Łódzka, Łódź, marek.zawilski@p.lodz.pl
Agnieszka Brzezińska – Politechnika Łódzka, Łódź, agnieszka.brzezinska@p.lodz.pl
Grażyna Sakson – Politechnika Łódzka , Łódź, grazyna.sakson-sysiak@p.lodz.pl
1. Zakres badań w roku 2010
Opracowanie „Kompendium informacji na temat metod ograniczania zrzutów ładunków zanieczyszczeń
zrzucanych przez przelewy burzowe kanalizacji ogólnospławnej”
Kompendium obejmuje:
rozeznanie literaturowe wymagań prawnych; z zebranych danych wynika znaczna różnorodność podejścia
do problemu, przy czym na tle przepisów w innych krajach, prawodawstwo polskie ujmuje jedynie krotność
działania przelewów w ciągu roku, brakuje zaś ograniczania zarówno objętości, jak i ładunków zanieczyszczeń, kierowanych do odbiornika;
● analizę wpływu przelewów burzowych na odbiorniki.;
● klasyfikację metod ograniczania zrzutów z przelewów burzowych;
● omówienie roli modelowania matematycznego i Real Time Control w ograniczaniu przelewów burzowych;
● podsumowanie dotychczasowe osiągnięcia zespołu badawczego w omawianym temacie.
●
Badania ilości i składu ścieków, odprowadzanych przez przelewy burzowe na terenie Łodzi
Badaniami objęto przelewy burzowe B1 w zleni rz. Bałutki oraz J4 w zlewni rz. Jasień. W latach 2010 przeprowadzono badania dla ogółem 11 zjawisk, analizując natężenie przepływu oraz wskaźniki zanieczyszczeń
ChZT, BZT5, zawiesiny ogólne, azot amonowy, fosfor ogólny, wybrane metale ciężkie, skażenie bakteriologiczne, uzyskując w rezultacie hydro- i polutogramy dla badanych zjawisk.
Badania czasowo-przestrzennego rozkładu opadów na terenie Łodzi
Korzystając z danych pomiarowych łódzkiej sieci pluwiometrycznej za lata 2010 i 2011, wykonano analizę przestrzennego rozkładu opadów intensywnych na terenie miasta. Analizowano rozkład intensywności
opadu z krokiem 5 minut tworząc mapy warstwicowe dla obszaru 16x16 km. Dokonano również aproksymacji natężenia opadu wewnątrz komórki burzowej, a także przystosowano program SWMM do modelowania
systemu kanalizacji ogólnospławnej dla dowolnego czasowo-przestrzennego rozkładu opadu nad zlewnią.
Przystosowanie to umożliwia śledzenie wędrówki opadu i jej wpływu na funkcjonowanie systemu ogólnospławnego. Analiza ta zakończyła się przygotowaniem dwóch publikacji naukowych.
2. Plan badań na dalszy okres projektu
W następnym okresie przewiduje się przeprowadzenie następujących badań:
Terenowe badania składu ścieków dopływających i odpływających z oczyszczalni wód deszczowych,
● Kontynuowanie badań składu ścieków, odprowadzanych z przelewów burzowych,
● Stworzenie modelu cyfrowego zlewni zurbanizowanej, obejmującą sieć kanalizacyjną wraz z przelewami burzowymi i skalibrowanie go na podstawie wyników badań.
●
102
PT 8. Użytkowanie i ochrona środowiska w strategii zrównoważonego rozwoju
Identyfikacja wycieku z wysypiska
na podstawie danych z monitoringu
Marek Lefik – Politechnika Łódzka, Łódź, marek.lefik@p.lodz.pl
Izabela Wiśniewska – Politechnika Łódzka, Łódź, izabela-wi@wp.pl
Marek Wojciechowski – Politechnika Łódzka, Łódź, mwojc@p.lodz.pl
1. Sformułowanie problemu
Jednym z największych problemów powstających w wyniku funkcjonowania składowisk odpadów są powstające zanieczyszczone wody odciekowe migrujące poza obszar składowiska powodując degradację wód
podziemnych. Zastosowane na składowisku izolacje syntetyczne chronią przed przedostawaniem się do wód
gruntowych produktów reakcji zachodzących w składowisku. W wyniku uszkodzenia drenażu lub/i izolacji syntetycznej dochodzi do migracji zanieczyszczeń w wodach podziemnych. Monitoring wód podziemnych stanowi źródło informacji niezbędnej dla oceny funkcjonowania składowiska. Te informacje mogą wskazać lokalizację źródła powstających zanieczyszczeń np. w wyniku uszkodzeń syntetycznej izolacji składowiska. Możliwość identyfikacji nieznanego źródła zanieczyszczeń sprowadza się do identyfikacji jednego punktowego źródła zanieczyszczeń wód gruntowych. W artykule przedstawiono zagadnienie odwrotne: na podstawie stężeń
wybranych wskaźników zanieczyszczeń przy wykorzystaniu jako narzędzia obliczeniowego sztucznej sieci neuronowej oblicza się źródło wycieku.
2. Charakterystyka rozwiązania
Metoda odwrotna sprowadza się do uzyskania modelu matematycznego tj rozwiązania 'wprost' tak by zgadzało się ono z wynikami pomiarów stężeń w paru punktach kontrolnych. Wzięto pod uwagę uproszczony
model matematyczny, który jednak uwzględnia wpływ wielu czynników działających w naturze. Podstawową
zmienną zależną jest tu ilość wybranej substancji (izolowanej w składowisku i będącej przedmiotem monitoringu) w jednostce objętości wody. W praktyce, montoring dotyczy przynajmniej kilkudziesięciu substancji.
Model matematyczny opisuje, przy pomocy układu równań różniczkowych cząstkowych, zmiany w czasie
i w przestrzeni stężenia wybranej substancji. W modelu wzięto pod uwagę takie procesy, wpływające na zmianę stężenia, jak transport konwekcyjny, dyspersja, biodegradacja, sorpcja i desorpcja. Rozwiązanie numeryczne „wprost” takiego układu równań jest relatywnie łatwe i zostało opisane w wielu podręcznikach [1]. W wyniku takiego rozwiązania, dla danych opisujących sytuację geotechniczną składowiska (współczynniki filtracji gruntów w wyróżnionych warstwach wpływają na prędkość przepływu, od rodzaju gruntu zależą m. in.
procesy adwekcji) oraz dla zadanych poziomów hydraulicznych otrzymuje się pole stężenia substancji w sąsiedztwie składowiska a więc i w punktach, w których zainstalowano piezometry kontrolne. Istota rozwiązania odwrotnego polega na użyciu sztucznej sieci neuronowej która została wytrenowana tak, że na jej wejście
podano obliczone stężenia monitorowanej substancji w piezometrach na napływie i w piezometrach na odpływie, zaś na jej wyjściu umieszczono współrzędne źródła (wyciek o tej samej wartości strumienia), dla których obliczono wartości wejściowe. Sieć taka działa w ten sposób, że po podaniu na wejściu wartości pomierzonych w piezometrach stężeń – na wyjściu otrzymuje się prognozę położenia źródła [2]. Odpowiednio wytrenowana sieć jest zapisem zależności funkcyjnej: obserwacja stężenia w wielu punktach – położenie źródła.
W modelu najprostszym obliczenia i trening zostały przeprowadzonej dla zadanego (niejawnie), zawsze tego
samego pola prędkości przepływu wód przypowierzchniowych. Pomyślne wyniki tej próby pozwolą w dalszej
perspektywie skonstruować model, w którym na wejściu sieci podane zostaną informacje hydrologiczne i geotechniczne, dla których obliczono rozkład stężeń w punktach kontrolnych.
Literatura:
[73] MAŁECKI J., NAWALANY M., WITCZAK S., GRUSZCZYŃSKI T., Wyznaczanie parametrów migracji zanieczyszczeń w ośrodku porowatym dla potrzeb badań hydrologicznych i ochrony środowiska. Poradnik metodyczny, Uniw. Warszawski, Remigraf sp. z o. o., 2006, 228 pp
[74] GAWIN D., LEFIK M., Some applications of Neural Networks in Building Physics. Arch. Civil Eng. Vol 46 nr 2, 255-271, 2000
103
PT 8. Użytkowanie i ochrona środowiska w strategii zrównoważonego rozwoju
Zmniejszanie strat w miejskich systemach dystrybucji wody
Andrzej Jodłowski – Politechnika Łódź, andrzej.jodlowski@p.lodz.pl
1. Wstęp
Straty wody w miejskich systemach zaopatrzenia w wodę należą do ważnych problemów eksploatacyjnych
przedsiębiorstw wodociągowych na całym świecie. Zmniejszanie strat wody staje się obecnie jednym z ich
priorytetowych zadań. Problem jest bardzo istotny w Polsce z uwagi na fakt, iż nasz kraj dysponuje niewielkimi zasobami wodnymi kształtowanymi przez określone czynniki klimatyczne i hydrologiczne. Wielkość
strat wody świadczy o sprawności sieci dystrybucyjnych, a także całych układów wodociągowych, prawidłowej dostawie i opomiarowaniu, sposobach rozliczania odbiorców oraz zużyciu wody na potrzeby własne systemów. Najistotniejsze jednak wydaje się określanie poziomu strat wody w rozdzielczej sieci wodociągowej.
Objętość wody wprowadzonej do systemu rozdzielczego dzieli się na tzw. zużycie autoryzowane i straty wody. Te z kolei podlegają podziałowi na straty rzeczywiste i straty pozorne. Celem opracowania jest analiza
elementów składowych strat wody w miejskich sieciach wodociągowych oraz sposobów ich zmniejszania.
2. Straty wody w miejskich sieciach wodociągowych
Rodzaje strat wody
Straty wody są przedmiotem rozważań dotyczących wielu systemów wodociągowych na całym świecie
[1, 2, 3, 4]. Zagadnieniu temu poświęcono również w Polsce wiele uwagi [5, 6, 7]. Należy jednak zauważyć,
że dopiero identyfikacja rodzaju strat i ich przyczyn pozwala na szczegółową analizę tego zagadnienia. Straty pozorne wynikają z nieautoryzowanego zużycia oraz różnego rodzaju niedokładności pomiarów i przekazu wyników tych pomiarów [8]. Za główne przyczyny rzeczywistych strat wody w sieciach wodociągowych uznaje się m. in. przecieki wody z przewodów sieci, z nieszczelności złączy, uszkodzeń awaryjnych,
przecieki wody z nieszczelnego uzbrojenia przewodów, takiego jak: dławiki zasuwy, hydranty, zawory spustowe, zawory odpowietrzające, nawiertki. Rzeczywiste straty wody zależą od wielu czynników obejmujących m. in. warunki gruntowe, jakość materiału rurociągów, bliskości prądów błądzących, wielkości ciśnienia itd. Warunki gruntowe mogą mieć duży wpływ na wielkość strat rzeczywistych z uwagi na możliwość
wykrywania i lokalizowania punktów przecieków. W zmniejszaniu strat mogą odgrywać istotną rolę kwestie
poprawnego wyboru materiału, jak również zastosowanie nowoczesnych metod kontroli przecieków i ich
wykrywania. Jest jeszcze szereg innych kluczowych czynników, które mogą wpływać na funkcjonowanie systemu i poziom nadmiernych stratach rzeczywistych. Obejmują one m. in. ciągłość dostawy wody, długość
przewodów wodociągowych, liczbę przyłączy, lokalizację wodomierzy odbiorców na przyłączach i średnie
ciśnienie robocze [9].
Sposoby zmniejszania start wody
Ważnym problemem w grupie strat pozornych jest odpowiedni dobór i eksploatacji urządzeń pomiarowych. Kwestie związane z poprawną gospodarką wodomierzową obejmują sposoby instalowania wodomierzy, ocenę stopnia zużycia wodomierzy, wpływ systemu wewnętrznych instalacji wodociągowych na działanie
wodomierzy, odpowiedni dobór klas i typów wodomierzy oraz zapobieganie nieprawidłowej ich pracy.
Praktyczne podejście do zmniejszania rzeczywistych strat wody obejmuje obniżanie ciśnienia w sieci, aktywną kontrolę wycieków, prędkość i jakość napraw oraz odpowiednie zarządzanie siecią wodociągową związane z wyborem materiałów, eksploatacją, odnową i wymianą. Aktywna kontrola wycieków jest realizowana
w postaci sektoryzacji sieci, monitorowania nocnego przepływu, poszukiwania i usuwania nieszczelności.
Należy jednocześnie zwrócić uwagę, że nie ma technicznych możliwości całkowitej eliminacji przecieków
i strat wody. Zagadnienie to prowadzi do rozważań dotyczących ekonomicznego poziomu wycieków.
Wskaźniki działania systemu dystrybucji wody z uwagi na straty wody
W ocenie działań podejmowanych w celu obniżana start wody są wykorzystywane różnego rodzaju wskaźniki. Zalicza się do nich głównie wielkość strat wody wyrażonej jako % objętości wprowadzonej do systemu,
104
PT 8. Użytkowanie i ochrona środowiska w strategii zrównoważonego rozwoju
wielkość strat wody przypadających na przyłącze, wielkość strat wody przypadających na km przewodów
w ciągu doby oraz tzw. indeks przecieków infrastruktury (ILI – ang. Infrastructure Leakage Index) będący
stosunkiem rocznych strat rzeczywistych i strat nieuniknionych określanych w oparciu o współczynniki oparte na wynikach analiz statystycznych [10, 11].
Przykładem pozytywnych zmian obserwowanych w krajowych przedsiębiorstwach wodociągowych były
wyniki analizy funkcjonowania sieci wodociągowej w Tomaszowie Mazowieckim [12]. Bezwymiarowy wskaźnik ILI przyjmował na początku lat 90-tych wartości przekraczające 8. Oznaczało to, że sposób wykorzystania zasobów wodnych był bardzo nieefektywny. W wyniku podjętych działań osiągnięto zmniejszenie tego
wskaźnika poniżej poziomu 2.
Uzyskany wynik był efektem prac modernizacyjnych sieci wodociągowej. Wszystkie nowe rurociągi sieci
rozdzielczej wykonywane były z PVC lub PEHD, a w przypadku odcinków modernizowanych metodami bezwykopowymi wykorzystywano rury PEHD. Od połowy lat dziewięćdziesiątych wszystkie przyłącza do średnicy 2'' wykonywano z rur PEHD. Skorodowane przyłącza stalowe zostały wymieniane na przewody PVC.
Zastosowanie nowych rozwiązań naprawczych pozwoliło na skrócenie czasu usuwania awarii i zmniejszyło
przerwy w dostawie wody.
3. Wnioski
1. Ograniczanie strat wody w miejskich sieciach dystrybucyjnych wymaga analiz zwianych z określeniem
wielkości i przyczyn strat rzeczywistych i pozornych.
2. W celu oceny wielkości strat wody oraz tendencji ich zmian niezbędne jest wykorzystywanie wskaźników
opisujących poziom eksploatacji infrastruktury wodociągowej, w tym syntetycznego wskaźnika ILI.
3. Analiza strat wody w wybranej sieci wodociągowej z wykorzystaniem wskaźnika ILI dowiodła jego przydatności i możliwości wyciągania praktycznych wniosków.
Literatura:
[1] KUNKEL G. i in., Committee Report: Applying worldwide BMPs in water loss control. Jour. AWWA. 2003: 95 (8): 65–79.
[2] RADIVOJEVIĆ D., MILIĆEVIC D., PETROVIĆ N., Technical performance indicators, IWA best practice for water mains and the first
steps in Serbia. Facta Universitatis. Series: Architecture and Civil Engineering, 2007: 5: 115-124.
[3 RAMAN V., Significance of losses in water distribution systems in India. Bulletin of the World Health Organization. 1983: 61 (5): 867–870.
[4] MUTIKANGA H. S., DHARMA S., VAIRAVAMOORTHY K., Water loss management in developing countries: challenges and prospects.
Jour. AWWA, 2009: 101 (12): 57–68.
[5] HOTLOŚ H., Analiza strat wody w systemach wodociągowych. Ochrona Środowiska, 2003, 1: 17–23.
[6] PIECHURSKI F. G., Straty wody i sposoby ich obniżania. BMP. Ochrona Środowiska. 2006: 2: 20–23.
[7] BERGEL T., BUGAJSKI P., Analiza strat wody w wybranych systemach wodociągowych. Przemysł Chemiczny. 2008, 87 (5): 408–410.
[8] RICHARDS G. L., JOHNSON M. C., BARFUSS S. L., Apparent losses caused by water meter inaccuracies at ultralow flows. Jour. AWWA. 2010: 102 (5): 123–132.
[9] Mc KENZIE R., SEAGO C., Assessment of real losses in potable water distribution systems: some recent developments. Wat. Sci. Techn.:
Water Supply. 2005: 5 (1): 33–40
[10] LAMBERT A. O., BROWN T. G., TAKIZAWA M., WEIMER D., A review of performance indicators for real losses from water supply
systems. J. Water SRT-Aqua. 1999: 48: 227–237.
[11] WIMARNI W., Infrastructure Leakage Index (ILI) as Water Losses Indicator. Civil Engineering Dimension. 2009: 11 (2): 126–134.
[12] JODŁOWSKI A., GAWARZYŃSKI J., Ograniczanie strat wody w miejskiej sieci wodociągowej na przykładzie Tomaszowa Mazowieckiego.
INSTAL, 2011: 6: 51–55.
105
PT 8. Użytkowanie i ochrona środowiska w strategii zrównoważonego rozwoju
Podstawy teoretyczne metodyki wymiarowania separatorów
wirowych
Jerzy M. Sawicki – Politechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Gdańsk,
jerzy.sawicki@wilis.pg.gda.pl
Streszczenie
W ramach tematu T 8.4 wykonywane są trzy zadania szczegółowe:
1) wymiarowanie separatorów wirowych;
2) projektowanie oczyszczalni hydrofitowych;
3) udoskonalenie metody obliczania intensywności spływu deszczowego.
Każde z nich jest istotne pod względem technicznym, lecz największe walory poznawcze ma pierwsze
z nich.
Istotą problemu jest nieprzydatność proponowanych w literaturze metod projektowych do wymiarowania
separatorów wirowych, budzących coraz większe zainteresowanie przemysłu. Jak się okazuje, przyczyna tego
jest fakt, iż metody te opracowano dla pól przepływu odpowiadającym zbiornikom wirującym, za nie zbiornikom zasilanym strumieniem stycznym do ścianki.
W ramach dotychczas zrealizowanych etapów badań dobrano poprawny model pola prędkości (proponując też oryginalną metodę wyznaczania jego parametrów), a następnie obliczono promieniowy rozkład ciśnienia, zweryfikowany na zbudowanym stanowisku pomiarowym. Ważnym rezultatem badań było stwierdzenie,
że rozkład ten nie jest dany funkcją wypukłą w dół (rys. 1a), jak dotychczas sądzono, tylko funkcją wypukłą
w górę (patrz rys. 1b). W zasadniczy sposób wpływa to na wartość poprzecznej siły ciśnieniowej.
Rys. 1. Profile swobodnej powierzchni cieczy: a) w zbiorniku wirującym; b) w separatorze wirowym.
106
PT 8. Użytkowanie i ochrona środowiska w strategii zrównoważonego rozwoju
Zastosowanie termoporometrii DSC
w badaniach struktury gruntów ilastych
Tomasz Kozłowski – Politechnika Świętokrzyska, Kielce, tomkoz@tu.kielce.pl
Łukasz Walaszczyk – Politechnika Świętokrzyska , Kielce, lukaszw@tu.kielce.pl
Celem prezentowanych badań było opracowanie nowej metody analizy przestrzeni porowej gruntów spoistych, w szczególności gruntów zawierających montmorillonit, a następnie przeprowadzenie badań nad
wpływem wilgotności, składu mineralnego i składu sorpcyjnego na parametry opisujące porowatość. Metoda, będąca syntezą termoporometrii [1] i nowej metody analizy danych różnicowej kalorymetrii skaningowej
DSC (tzw. konwolucja stochastyczna; [2]), umożliwi dokładna analizę przestrzeni porowej gruntów zawierających minerały ilaste, w szczególności ekspansywne (montmorillonit). W przypadku tych ostatnich klasyczne podejście eksperymentalne natrafia na problemy związane z ruchomą siecią krystaliczna, w której odległości międzypakietowe zależą od zawartości wody w systemie woda-grunt [3], [4]. Istniejące metody badania parametrów opisujących przestrzeń porową, takich jak krzywa dystrybucji porów lub parametry morfometryczne, wymagają bądź całkowitego usunięcia wody z próbki (np. porozymetria rtęciowa, dyfraktometria
rentgenowska, mikroskopia skaningowa), bądź badania przy stałej wilgotności, z reguły w stanie całkowitego
nasycenia (np. magnetyczny rezonans jadrowy, [5]. W obu przypadkach tracimy niezwykle istotny wpływ wilgotności na przestrzeń porową, co w przypadku gruntów zawierających montmorillonit uniemożliwia poprawną interpretację wyników. Ponadto wiele z istniejących metod jest ocenianych krytycznie jako narzędzia
do badania porowatości gruntów i skał (np. porozymetria rtęciowa w [3], magnetyczny rezonans jądrowy
w [5], 1996, adsorpcja azotu w [4]).
W zaproponowanej przez Bruna i współpracowników metodzie, nazwanej termoporometrią [1], krzywa
dystrybucji oraz parametry morfometryczne porów w materiale porowatym są określane na podstawie kalorymetrycznego pomiaru efektów termicznych towarzyszących przemianom fazowym wody w stanie ciekłym
bądź stałym zawartej w porach. Analizując krzywą efektów egzotermicznych lub – lepiej – endotermicznych
w funkcji temperatury, można uzyskać informację, ile wody przypadało na pory o danej wielkości, co następnie umożliwia konstrukcję krzywej dystrybucji porów. Co ważne, pełną krzywą dystrybucji można uzyskać
badając jedną próbkę, tym samym eliminując błąd spowodowany uśrednianiem danych dla wielu próbek. Jako oferująca zupełnie nową jakość, bezpośrednio po opublikowaniu metoda spotkała się z wielkim zainteresowaniem badaczy, jednak następujące publikacje wyrażały mniejsze lub większe rozczarowanie. Wynika
ono, zdaniem autorów, z podstawowej wady różnicowej kalorymetrii skaningowej DSC, używanej jako podstawowe narzędzie eksperymentalne w termoporometrii. Pik kalorymetryczny, opisujący efekty termiczne
w funkcji temperatury, w rzeczywistości podaje dane rozmyte i wzajemnie na siebie nałożone. To niekorzystne zjawisko jest efektem bezwładności cieplnej przyrządu; teoretycznie "ostry" efekt termiczny, towarzyszący na przykład topieniu mikrogramowego kryształka lodu dokładnie w temperaturze Ti, zostaje zarejestrowany w postaci ciągu efektów w pewnym zakresie temperatur powyżej Ti. Takie rozmyte piki składowe nakładają się na siebie, tworząc jeden termogram. Przystępując do jego interpretacji, siłą rzeczy zakładano, że stanowi on wykres efektów termicznych przypisanych do poszczególnych temperatur, co, jak wyjaśniono powyżej,
nie jest zgodne ze stanem faktycznym. Tym samym uzyskiwane krzywe dystrybucji porów w mniejszym lub
większym stopniu błędnie opisywały rzeczywistą przestrzeń porową. W przypadku większej liczby impulsów
termicznych związanych z różnymi temperaturami T', wygodny jest zapis obserwowanej funkcji piku h (T)
jako tzw. splotu funkcji rzeczywistych efektów q (T) i funkcji aparaturowej f (T):
1)
Problem znalezienia rzeczywistej postaci funkcji efektów cieplnych względem temperatury oznacza więc
konieczność rozwiązania równania splotu (1) ze względu na q (T) gdy funkcje h (T) i f (T) są znane. Rozwiązanie całkowego równania splotu (1) ze względu na funkcję q (T) stanowi w praktyce spory problem. Metody numeryczne podawane w literaturze (metoda oparta na transformacji Fouriera oraz metoda oparta na
algorytmie rekurencyjnym) nie sprawdzają się w zastosowaniu do danych uzyskanych przy rozmrażaniu próbek gruntowych. Metody te dawały co prawda bardzo dobre rezultaty w obliczeniach kontrolnych dla danych
107
PT 8. Użytkowanie i ochrona środowiska w strategii zrównoważonego rozwoju
fikcyjnych, jednak okazywała się zupełnie bezużyteczne w zastosowaniu do danych eksperymentalnych obciążonych wpływem szumu krótkookresowego i ewentualnym wpływem indywidualnego kształtu próbki na
kształt piku topnienia. Wszystkie próby prowadziły do rezultatów rozbieżnych.
Wobec powyższych trudności, autorzy zdecydowali się na opracowanie metody numerycznej, opartej na
analizie odchylenia kwadratowego obserwowanej funkcji h (T) od splotu funkcji aparaturowej f (T) z funkcją
qi (T), będącą kolejnym przybliżeniem szukanej funkcji q (T).
Po dokonaniu dyskretyzacji z dokładnoscią do 0,1 K, równanie splotu (1) może zostać zapisane w postaci sumy wyrażeń skończonych:
(2)
gdzie n oznacza ilość elementów funkcji obserwowanej a m oznacza ilość elementów funkcji aparaturowej.
Algorytm znajdowania „właściwej” postaci funkcji q (T) polega na znalezieniu takiej jej postaci qk (T),
której splot z funkcją aparaturową wyznaczony zgodnie z (2) daje najmniejsze odchylenie od funkcji obserwowanej h (T):
(3)
gdzie hk (T) oznacza splot k-tego przybliżenia funkcji q (T) z funkcją aparaturową.
Ze względu na bardzo dużą czasochłonność obliczeń, prowadzi się je w sześciu etapach, przybliżając
funkcję q (T) z dokładnością wzrastającą od 20% do 0,625% całkowitego efektu cieplnego Q. W każdym etapie całkowity efekt cieplny Q dzieli się na r jednakowych ułamków DQ, przy czym na kolejnym etapie wartość r zwiększa się dwukrotnie. Konstrukcja kolejnej postaci funkcji qk (T) polega na przypisaniu każdej temperaturze Ti pewnej liczby si efektów ułamkowych DQ (si może przyjmować wartości całkowite od 0 do r,
przy czym suma si musi oczywiście równać się r). Matematycznie oznacza to tworzenie r-wyrazowych wariacji z powtórzeniami o wartościach w zbiorze temperatur Ti. Na poszczególnych etapach obliczeń wartość r
zmienia się od 5 do 160 (co odpowiada zmianom wartości podstawowych „cegiełek” DQ tworzonej funkcji
od 20% do 0,625% całkowitego efektu cieplnego Q. Przyjęty algorytm uwzględnia ponadto konieczność
zwiększania precyzji obliczeń wraz ze spadkiem aktualnej temperatury Ti (w związku z przewidywanym asymetrycznym rozkładem efektów cieplnych) oraz, ze względu na ekonomię obliczeń, nie dopuszcza do tworzenia rozkładów mało prawdopodobnych.
Literatura:
[1] BRUN M., A. LALLEMAND, J-F. QUINSON, CH. EYRAUD, A New Method for the Simultaneous Determination of the Size and the
Shape of Pores: the Thermoporometry, Thermochimica Acta, 21, 1977, pp. 59–88.
[2] KOZLOWSKI T., A Comprehensive Method of Determining the Soil Unfrozen Water Curves. 1. Application of the Term of Convolution, Cold
Regions Science and Technology, 36, 2003, pp. 71- 79.
[3] AYLMORE L. A. G., J. P. Quirk, The Micropore Size Distributions of Clay Mineral Systems, European Journal of Soil Science, 18, 2006,
pp. 1–17.
[4] ECHEVERRIA J. C., M. T. MORERA, C. MAZKIARAN, J. J. GARRIDO, Characterization of the Porous Structure of Soils: Adsorption
of Nitrogen (77 K) and Carbon Dioxide (273 K), and Mercury Porosimetry, European Journal of Soil Science, 50, 2008, pp. 497–503.
[5] CARR M. B., R. EHRLICH, M. C. BOWERS, J. J. HOWARD, Correlation of Porosity Types Derived from NMR Data and Thin Section
Image Analysis in a Carbonate Reservoir, J. of Petroleum Science and Engineering, 14, 1996, pp. 115–131.
108
PT 8. Użytkowanie i ochrona środowiska w strategii zrównoważonego rozwoju
Zrównoważone zarządzanie wodami deszczowymi w mieście
– kwantyfikacja zagrożeń i potencjał ekologiczny
łódzkich rzek
Małgorzata Stolarska – Uniwersytet Łódzki, Łódź, m.stolarska@erce.unesco.lodz.pl
Sebastian Szklarek – Uniwersytet Łódzki, Łódź, sebszklarek@gmail.com
Joanna Włodarczyk – Uniwersytet Łódzki, Łódź, j.wlodarczyk@erce.unesco.lodz.pl
Maciej Zalewski – Uniwersytet Łódzki, Łódź, mzal@biol.uni.lodz.pl
Intensywne procesy urbanizacji na przestrzeni ostatniego stulecia, doprowadziły do nieodwracalnych i negatywnych zmian w cyklu hydrologicznym oraz w zakresie stanu i bioróżnorodności biologicznie czynnych
fragmentów przestrzeni miejskiej [1]. Włączenie w sieć rzek miejskich systemów kanalizacji deszczowej i przelewów ogólnospławnej infrastruktury ściekowej generuje szereg problemów związanych bezpośrednio z ilością
oraz dynamiką zasobów wodnych, jak i jakością wód powierzchniowych. Degradacja zasobów wodnych rzek
miejskich to zjawisko zachodzące nie tylko w samych ciekach jako obiektach hydrograficznych, ale oddziałujące także na jakość i potencjał ekosystemów wodnych. Jednocześnie zmiany obiegu wody w zlewniach miejskich, wywołane m. in. uszczelnieniem terenu sprzyjającym procesom formowania się spływu powierzchniowego oraz ograniczenia retencyjności, są odpowiedzialne za obniżenie poziomu bioróżnorodność wspomnianych terenów biologicznie czynnych, kształtujących i świadczących o jakości życia w mieście [2, 3].
W realizowanym temacie badawczym „Innowacyjne metody harmonizacji biotechnologii ekosystemowych z infrastrukturą systemów kanalizacyjnych i oczyszczania ścieków” (POIG. 01.01.02-10-106/09), rozpoczęto szereg prac związanych z opracowaniem efektywnego i zrównoważonego, systemowego podejścia do
zarządzania wodami deszczowymi w mieście Łodzi. Realizacji tego celu służy przyjęty i zbudowany w oparciu o podstawy teoretyczne koncepcji ekohydrologii, schemat badań [4, 5]. Zakłada on w pierwszej kolejności identyfikację zagrożeń oraz kwantyfikację procesów i czynników kształtujących obieg wody i cykle biogeochemiczne w zlewniach miejskich. W tym celu utworzono system monitoringowy, złożony z rożnych pod
względem użytkowania terenu zlewni deszczowych zamkniętych wylotem kanału skierowanym bezpośrednio
do jednej z badanych łódzkich rzek tj. Sokołówki, Brzozy, Olechówki, Łódki i Jasieni. Dla każdej ze zlewni
określono dominujący typ użytkowania (budownictwo jednorodzinne, wielorodzinne /wielokondygnacyjne
oraz obszary przemysłowe) i przeprowadzono szczegółowe analizy pokrycia terenu wraz z określeniem warunków infiltracyjnych (litologia i spadki). Mimo intensywnego zurbanizowania badanych zlewni stwierdzono wysoki udział terenów zielonych (lasy, parki, trawniki, pobocza, itp.) co stanowi ogromny potencjał dla
planowania wdrożeń wykorzystujących biotechnologie ekologiczne, mające na celu m. in. zagospodarowanie
wód opadowych w miejscu ich powstania i poprawę jakości zasobów wodnych miasta. Wyniki wydzieleń wykonane z wykorzystaniem oprogramowania i narzędzi badawczych Geograficznych Systemów Informacji
(GIS) posłużą w dalszych etapach projektu do modelowania jakości ekosystemów wód powierzchniowych
w zależności od przyjętych scenariuszy strategii zarządzania zasobami wód opadowych w mieście.
Objęcie monitoringiem zlewni deszczowych wzajemnie zróżnicowanych pod względem użytkowania pozwala na precyzyjne określenie profilu zanieczyszczeń powstających na obszarze o danym typie użytkowym.
Jednocześnie umożliwia szacowanie wpływu na funkcjonowanie ekosystemu w silnie przekształconej przestrzeni miejskiej. W ramach realizowanego tematu tworzona jest baza typów i poziomu oddziaływania głównych źródeł zanieczyszczeń spływających wraz z wodami deszczowymi do rzek, wraz z oceną poziomu i zakresu oddziaływania na stan oraz funkcjonowanie ekosystemów wód powierzchniowych.
W ocenie i identyfikacji skali emisji zanieczyszczeń z różnych typów użytkowania terenu posłużono się
zestawem wyników oznaczeń chemicznych oraz fizycznych wody, tj.: stężeń zawiesiny ogólnej z podziałem
na frakcje mineralną i organiczną, wynikami przewodności elektrolitycznej właściwej, stężeniami metali
ciężkich oraz chlorków wraz jonami sodu, magnezu, potasu a także siarczkami i stężeniami biogenów tj.
form całkowitych azotu i fosforu wraz z formami rozpuszczonymi (azot amonowy, azotany i fosforany). Dla
zobrazowania skali zagrożenia wykorzystano zakresy normatywne z Rozporządzeń Ministra Środowiska
w zakresie, po pierwsze oceny jakości wód powierzchniowych (Dz.U. 2004 Nr 32, Poz. 284 i DZ.U. 2008
Nr 162, poz. 1008) oraz najwyższych dopuszczalnych wartości dla ścieków wprowadzanych do wód lub do
ziemi (Dz.U. 2006 Nr 137 poz. 984 oraz Dz.U. 2009 Nr 27, poz. 169). Natomiast względem określenia po-
109
PT 8. Użytkowanie i ochrona środowiska w strategii zrównoważonego rozwoju
tencjału ekologicznego uzyskiwane w projekcie wyniki badań terenowych i laboratoryjnych odniesiono do
przedziałów klas z rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 20 sierpnia 2008 r., Dz.U. nr 162 poz. 1008.
Uzupełnieniem kwantyfikacji zagrożeń związanych z zanieczyszczeniem wód ścieków deszczowych jest
tworzony w ramach projektu schemat oceny toksyczności tych wód z wykorzystaniem metodyki badań bioindykacyjnych.
Realizowane w sposób kompleksowy, zadanie oceny wpływu ścieków deszczowych na ekosystemy rzeczne i określenia oddziaływania typu zagospodarowania przestrzennego terenu na emisję zanieczyszczeń do
rzek miejskich stwarza podstawy do szukania systemowych rozwiązań adekwatnych dla zidentyfikowanych
problemów i zgodnych z wymogami zrównoważonego rozwoju. Proponowane i testowane w zlewniach deszczowych łódzkich rzek podejście do identyfikacji i kwantyfikacji zagrożeń dla jakości zasobów i ekosystemów
wodnych, pozwala na zwiększenie trafności oraz wypracowanie innowacyjnych zasad o większej niż dotychczasowe założenia gospodarki wodno-kanalizacyjnej, efektywności działań w zakresie zarządzania zasobami
wodnymi w miastach.
Literatura:
[75] EEA Report No 5/2009 – Ensuring quality of life in Europe's cities and towns., Tackling the environmental challenges driven by European
and global change., Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities., 110 pp.
[76] EEA Komunikat Komisji do Rady i Parlamentu Europejskiego – dotyczący strategii tematycznej w sprawie środowiska miejskiego,
2006 – KOM (2005) 718 wersja ostateczna, [SEC (2006) 16] Bruksela, 11.01.2006, 15 pp.
[77] WAGNER I., MARSALEK J., BREIL P., Aquatic Habitats in Sustainable Urban Water Management. – Science, Policy and Practice.,
Urban Water Series – UNESCO – IHP, UNESCO Publishing, 2008, 229 pp.
[78] ZALEWSKI M., Ecohydrology – the use of ecological and hydrological processes for sustainable management of water resources., Hydrol.
Sc. Journal 47 (5), 2002, pp. 825–834
[79] ZALEWSKI M., ROBARTS R., Ecohydrology – a new Paradigm for Integrated Water Resources Management., SIL News 40, 2003, pp.
1–5
110
Więcej informacji dotyczących prezentowanych w publikacji materiałów dostępnych jest:
● na stronie internetowej projektu www.bais.p.lodz.pl
● w Biurze Projektu
POLITECHNIKA ŁÓDZKA
Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska
Al. Politechniki 6, 90-924 Łódź
Tel. 0 42 631-29-30
Faks 0 42 631-35-02
Download

Strona TEMATY PRAC DYPLOMOWYCH NA ROK AKADEM. 2015