3
4 (159) 2004
IPB
Warsztat projektanta
Podstawowym materiałem konstruk−
cyjnym jest żelbet, pomimo iż przy nad−
miarze stali na r ynku koszty niewiele
się różnią, a decydują problemy tr wa−
łości i koszty utrzymania. Równocześnie
z punktu widzenia logiki zadań jakie ma
spełniać zbiornik – beton jest to mate−
riał zupełnie niewłaściwy. Bo przecież
na dno oddzielające środowisko wodne
od ziemnego doskonale wystarczyłaby
szczelna folia, gdyż obciążenie od wody
rzędu 100 kN/m
2
przeniesie prawie
każdy grunt, a na ściany w przypadku
ich obsypania gruntem lub zagłębienia
w nim działa prawie takie samo parcie
od strony wody jak i gruntu. Tu również
folia byłaby wystarczającą przegrodą.
Oczywiście zmienność obciążeń
w stanie wykonania i zapełniania prze−
czy tym funkcjonalnym założeniom i pra−
wie skazani jesteśmy na żelbet.
Równocześnie jednak obser wowa−
ne są w praktyce i opisywane w litera−
turze technicznej (np. IB nr 12/2003)
dziesiątki przykładów pionowych (lub
czasem i poziomych) r ys w betonie, ich
naprawy, uszczelniania, a nawet wska−
zania bardziej ścisłego obliczania jako
remedium na r ysy.
A istota problemu leży we właści−
wościach betonu, to znaczy jego struk−
turze, małej wytrzymałości na rozciąga−
nie, egzotermiczności w procesie wią−
zania cementu i ogromnej wrażliwości
na różnice temperaturowych odkształ−
ceń poszczególnych włókien czy stref.
War to więc rozpocząć dyskusję nie
o przyczynach konkretnych awarii, na−
praw czy katastrof, a o tym jak należy
projektować i wykonywać takie zbiorni−
ki, aby ich uniknąć.
Skoro właściwości betonu i jego
technologia są głównymi przyczynami
zar ysowań, to można się zastanowić,
jak na etapie projektowania konstruk−
cyjnego można zminimalizować ich
wpływ. Oto główne podstawy koncepcji.
1. Skoro duże grubości dna i ścian
zbiornika są przyczynami pier wszych,
na ogół pionowych, r ys z powodu wyso−
kiej temperatur y wiązania cementu, wy−
noszącej do 60
o
C wewnątrz przekro−
ju, a grubość wymiarów ścian i dna
w kwadracie decyduje o różnicy od−
kształceń, to tak należy dobierać osta−
teczne schematy statyczne, aby wystar−
czały minimalne przekroje, np. 20 cm
w dnie, a 30 cm w ścianach.
2. Skoro różnica temperatur skraj−
nych włókien przekroju wywołuje pęka−
nia – zawsze po stronie chłodniejszej –
to należy albo obsypywać ziemią ściany
zbiorników, albo je ocieplać i wykorzys−
tywać względną stałość temperatur y
gruntu pod dnem jako działanie korzys−
tne dla konstrukcji.
3. Skoro dylatacje są zawsze źród−
łem słabości ścian i dna, to należy dą−
żyć do ich likwidacji – tak jak to dzieje
się na dużą skalę w zbiornikach cylind−
r ycznych, gdzie przez prefabr ykację
segmentów ścian i sprężanie wyelimi−
nowano dylatacje nawet przy średni−
cach D
≥
60 m.
4. Jedynie sprężenie jest takim
środkiem, któr y sprowadza wytrzyma−
łość betonu na rozciąganie do tych sa−
mych war tości jakie ma on na ściska−
nie – f
cd
≈
0,6 f
ck
. Sprawdza się ono
doskonale w zbiornikach cylindr ycz−
nych, a jest przedmiotem fobii i unika−
nia w zbiornikach prostokątnych zarów−
no przez konstruktorów jak i wykonaw−
ców.
5. Oczywiście samo projektowanie
nie wyeliminuje potknięć wykonawstwa:
nieszczelnej struktur y betonu (rola py−
łów krzemionkowych i dodatków hydro−
fobowych!) braku podziału stref betono−
wania na poziome lub pionowe z wypeł−
nieniem po kilku dniach niezabetono−
wanych odstępów. O ile pionowe po−
działy pomiędzy zabetonowanymi stre−
fami nie budzą wątpliwości, to pozio−
me, które również likwidują wpływ tem−
peratur y wiązania, bywają rzadko sto−
sowane. A ich działanie jest podobne,
gdy pasma poziome są betonowane na
wcześniej związanym fundamencie.
Wpływ r ys od skurczu autogenicznego
lub plastycznego – jak bywa on nazywa−
ny – w postaci siatki włoskowatych r ys
można eliminować przez rewibrację,
a pył na kruszywie łatwo się usuwa
przez spłukanie (hydromonitoring). O ile
temperatura wiązania i nieodłączny
skurcz początkowy mogą być wyelimino−
wane przez wymienione działania i są
najbardziej niebezpieczne w pier wszych
10–20 godzinach wiązania cementu, to
oczywiście dalsza pielęgnacja wodna
(łatwa zwłaszcza na dnie zbiornika) jest
niezbędna dla eliminacji skurczu od wy−
sychania.
Wymienionych 5 parametrów ogól−
nej filozofii konstrukcji szczelnych zbior−
ników prostokątnych wymaga szersze−
go wyjaśnienia.
Ad 1. Schemat statyczny pokazany
na r ys. 2a, często stosowany w projek−
towaniu, prowadzi do dużej grubości
dna, równoważącego moment utwier−
dzenia ściany. W rzeczywistości dolną
reakcję parcia wody, ale bez momentu,
można przenieść przez beton o 20 cm
grubości i zbrojeniu np. 2×
φ
12 co 20
cm, uzyskując szerokość ew. r ys
w < 0,2 mm. Dno jest wtedy oddylato−
wane od fundamentu ściany, ale z prze−
cięciem jedynie betonu i ciągłym zbro−
jeniu przenoszącym reakcję od ściany
Zapotrzebowanie na zbiorniki prostokątne w oczyszczal−
niach ścieków jest bardzo duże, a niewątpliwie jeszcze
wzrośnie przy finansowaniu budowy oczyszczalni z fundu−
szy europejskich.
O racjonalne projektowanie
żelbetowych
zbiorników prostokątnych
Stanisław Kuś
Autor jest profesorem Politechniki
Rzeszowskiej.
