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.

4 (159) 2004

IPB

Warsztat projektanta

4

do ściany. Schemat 2b zarówno
2,5−krotnie zmniejsza moment utwier−
dzenia jak i wykorzystuje pionowy słup
wody dla zrównoważenia parcia. Prze−
rzucenie momentu zginającego ścianę
przez utworzenie u gór y ściany wieńca

– ramy prostokątnej, po której mogą
się przesuwać urządzenia obsługujące
zbiornik i ludzie – powoduje, że pogru−
bienie konieczne jest tylko w dolnej
części ściany zbiornika. W zbiornikach
cylindr ycznych najkorzystniejsze okaza−

ły się ścianki prefabr ykowane z wypeł−
nieniem szwów betonem. Kable bez−
przyczepnościowe w bezpiecznych ko−
rozyjnie osłonkach prostych można
wprowadzić znacznie łatwiej niż w wy−
giętych walcowych. A ściśnięte kablami
wzdłużnie ściany nie wymagają dyla−
tacji.

Można mieć wątpliwości dotyczące

dużej długości wieńców chodnikowych
u gór y ściany, ale praktycznie wszystkie
zbiorniki mają ściany poprzeczne, które
zmniejszają rozpiętość ramy i szero−
kość wieńca.

Ad 2. Różnice temperatur rzędu

20÷30

o

C są przyczyną zar ysowań kra−

wędziowych zbiorników już dojrzałych
i tr wale używanych. Po obsypaniu zie−
mią ścian jedynie wieńce są narażone
na takie różnice – dlatego obustronne
sprężenie na tyle zwiększy wytrzyma−
łość betonu na rozciąganie, że takie
różnice nie będą groźne.

Ad 3 i 4. Podstawowa różnica po−

między zbiornikami cylindr ycznymi
i prostokątnymi polega na tym, że po−
ziome sprężenie w tych pier wszych wy−
eliminowuje obwodowe rozciąganie od
parcia. W zbiornikach prostokątnych
zginanie ścian jest nieuniknione, ale
pionowe sprężanie np. grubymi prętami
byłoby zbyt kosztowne. Jednak poziome
kable obliczone dodatkowo (poza
dnem) na całą siłę podłużną parcia
w ścianach prostopadłych powinny być
wystarczającym zabezpieczeniem rów−
nież przed pionowymi i poziomymi r ysa−
mi. Należy przewidywać dwukrotny na−
ciąg cięgien: po 10–20 godzinach od
zabetonowania do 30% P

o

z pełnym do−

prężeniem po uzyskaniu wytrzymałości
betonu.

Ad 5. W wykonywaniu sprężonych

zbiorników cylindr ycznych wyspecjalizo−
wały się konkretne przedsiębiorstwa.
Czy nie należałoby oczekiwać podobne−
go systemu organizacji w znacznie
częściej stosowanych zbiornikach pros−
tokątnych?

Oczywiście, zawsze jest użyteczne

bardziej precyzyjne obliczenie statyczne
– zwłaszcza w strefie naroży zbiorników,
jednak decydująca w projektowaniu jest
koncepcja przewidująca konsekwencje
schematu i modelu oraz technologie
wykonania zbiornika.

Literatura

1. Paczkowski W., Czajka S., Kowalski I.:

O przyczynach awarii żelbetowego zbior−
nika prostopadłościennego. Inż. i Bud.
nr 12/2003.

2. Norma PN−B−03264−2002.

Rys. 2 Schematy konstrukcji zbiornika z dala od naroży: a) niewłaściwy, b) racjonalny

Rys. 1 Plan i przekroje typowych zbiorników

Rys. 3 Przykład wykonania i zbrojenia ścianki i dna zbiornika o sprężonej ściance:

a – monolityczna, b – prefabr ykowana