XLVIII KONFERENCJA NAUKOWA
KOMITETU INŻYNIERII L
DOWEJ I WODNEJ PAN
I KOMITETU NAUKI PZITB
Opole  Krynica 2002
Andrzej AJDUKIEWICZ1
Alina KLISZCZEWICZ2
Marek W
GLORZ3
WIELKOWYMIAROWE KONSTRUKCJE ŻELBETOWE
WZNOSZONE W ZIMIE  DOŚWIADCZENIA REALIZACYJNE
1. Wprowadzenie i ogólna charakterystyka obiektu
W warunkach gospodarki rynkowej nowe obiekty są wznoszone w terminach dyktowanych
przede wszystkim warunkami finansowania inwestycji, a dopiero w drugiej kolejności
decydujące są kryteria techniczne.
Prezentowane tu doświadczenia realizacyjne dotyczą wykonania masywnych konstrukcji
żelbetowych w obiekcie wznoszonym przez inwestora amerykańskiego, według projektu
fińskiego. Autorzy mieli za zadanie przygotowanie w krótkim czasie zasad technologiczno-
materiałowych, kontrolne badania towarzyszące i nadzór badawczy nad realizacją. Celem tego
działania było poprawne wykonanie konstrukcji w okresie zimowym, w tym uzyskanie
wymaganej wytrzymałości i braku zarysowań od wpływów termiczno-skurczowych.
Wykonawstwo dwóch bliz
niaczych żelbetowych fundamentów, a ściślej głównych
części konstrukcji wsporczych dla turbin w nowo wznoszonej elektrociepłowni przewidziano
według harmonogramu na przełomie grudnia i stycznia.
Są to fundamenty szczególnego typu, zaprojektowane jako wyniesione, masywne ramy
poziome, oparte przegubowo na słupach za pośrednictwem specjalnych łoż ysk-
amortyzatorów sprężynowych. A
oż yska te mają szczególną konstrukcję, dostosowaną do
duż ych reakcji podporowych zespołu turbina + fundament, o masie około 500 + 700 ton.
Zostały one dostarczone przez dostawcę turbin i zabudowane na głowicach słupów.
Spody fundamentów przewidziano na poziomie +8,15m. Każdy z fundamentów
podparto na sześciu słupach. Rzut jednego fundamentu z charakterystycznymi przekrojami
pokazano na rys. 1. Przewidziano beton klasy B40, a z racji intensywnego zbrojenia i
licznych wkładów w deskowaniu przyjęto konsystencję klasy S3 (opad stożka 10-15 cm).
W czasie realizacji fundamentów budynek maszynowni był wykonany w niewielkim
zakresie i całkowicie pozbawiony ścian.
1
Prof. dr inż., Wydział Budownictwa Politechniki Śląskiej
2
Dr inż., Wydział Budownictwa Politechniki Śląskiej
3
Mgr inż., Wydział Budownictwa Politechniki Śląskiej
168
2. Istota problemu
Prezentowana realizacja wiązała się tematycznie z dwoma problemami wykonawstwa
konstrukcji żelbetowych, określanymi hasłowo jako:
" betonowanie konstrukcji masywnych, oraz " betonowanie w warunkach zimowych.
Każdy z tych problemów był dotąd z reguły osobno analizowany i opisywany na
przykładach. Szczególnie wiele publikacji w ostatnich latach poświęcono problemom
dotyczącym realizacji konstrukcji masywnych, czyli ogólnie takich, w których nie można
pomijać wpływu ciepła hydratacji cementu. To określenie jest bardzo ogólne, ale najczęściej
na takich poprzestają zalecenia normowe. Na przykład nowe zalecenia ACI [1] definiują
masywną konstrukcję jako:  bryła betonu o dostatecznie duż ych wymiarach, która wymaga
podjęcia środków zaradczych przeciw wytwarzaniu ciepła wskutek hydratacji cementu oraz
związanym zmianom objętości, w celu minimalizacji zarysowania . Na tej ogólnej definicji
bazują specjalne przepisy ACI dotyczące realizacji konstrukcji masywnych [2].
W kraju najwięcej istotnych rozważań i analiz z zakresu realizacji konstrukcji
masywnych przedstawił W. Kiernożycki, m.in. [3], [4]. Autor ten wskazał, że konieczne jest
kompleksowe podejście do konstrukcji masywnej, a zatem nie tylko wymiary, ale także
uwarunkowania technologiczno-materiałowe i technologiczno-konstrukcyjne muszą być
szczegółowo analizowane. Wygodnie jest jednak na wstępnym etapie rozważań operować
prostą miarą przy kwalifikowaniu konstrukcji pod względem masywności. Wskazywana jest
od wielu lat (patrz prace K. Flagi) umowna geometryczna miara masywności w postaci tzw.
modułu powierzchniowego elementu. Ta klasyfikacja jest ukierunkowana głównie na
problemy skurczowe, przy których decydujące znaczenie ma powierzchnia kontaktu z
powietrzem otoczenia, ale wydaje się mniej przydatna przy analizie problemów termicznych.
Inną praktyczną zasadę kwalifikacji konstrukcji jako masywnej podano ostatnio w pracy [5],
przyjmując dwa równoważne kryteria:
" najmniejszy wymiar nie mniej niż 0,90 m, " masa cementu w mieszance ponad 335 kg/m3.
Omawiane fundamenty, niezależnie od przyjęcia kryteriów klasyfikacji, musiały być
zaliczone do masywnych. Główne ramiona masywnych ram poziomych miały przekroje
poprzeczne H � B = 2,35 � 3,65 m lub 2,80 � 2,65/1,75 m.
Drugi problem, jaki okazał się trudniejszy do rozważenia przy projekcie omawianej
realizacji to betonowanie w warunkach zimowych. Tradycyjne wskazówki w tym zakresie
zawarto w Instrukcji ITB [6]. Pewne wskazówki są podawane w nawiązaniu do obecnych
moż liwości, np. [7].
3. Dobór i badania kontrolne mieszanki betonowej oraz zabiegi techniczne
Dobór mieszanki i badania kontrolne były poprzedzone analizą konstrukcji obiektu i wa-
runków technicznych oraz opracowaniem specyfikacji technologicznej. W uzgodnieniu z
inwestorem przyjęto po wstępnych próbach następujące podstawowe materiały:
" cement CEM I 42,5 (Górażdże), " kruszywo: piasek płukany i ż wir z Kopalni  Kotlarnia
oraz " domieszki: plastyfikator BV 3 (Addiment) i opóz
niacz VZ 1 (Addiment).
Próbki do badań wytrzymałości (po 42 walce "150x300 mm) pobierano w toku całego
procesu betonowania fundamentów i składowano na 7 dni wewnątrz deskowania fundamentu
(w otworze). Po przewiezieniu do laboratorium przechowywano próbki w warunkach
zbliżonych do zewnętrznych (obniżone temperatury, umiarkowana wilgotność).
Wyniki badań przygotowawczych i towarzyszących realizacji podano w tablicach 1 i 2;
do realizacji przyjęto ostatecznie mieszankę o symbolu III.
 169
b
A
+10,500
a a
C
B
+11,056
2643 5800 2002 6905 1750 900
20000
b
LEGENDA:
ł ż
+ 11,056
+ 10,500
+ 8,150
+ 7,590
a-a
+ 10,500
+ 8,150
7,590
+
b-b
Rys. 1. Rzut i charakterystyczne przekroje realizowanych fundamentów (pokazano także
rozmieszczenie trzech sond do pomiaru zmian temperatur w twardniejącym betonie)
Tablica 1. Składy mieszanek betonowych w kg/m3
cement opad początek gęstość
symbol
kruszywo domieszki
CEM I
stożka wiązania
�cm
mie- woda
szanki
42,5 0-2 2-8 8-16 BV 3 VZ 1 cm godz. kg/dm3
1 2 3 4 5 6 6 7 8 9 10
I 375 180 625 447 715 1,88 1,50 9 1 2,34
II 375 145 677 483 774 1,88 3,00 12 8 2,36
III 375 171 653 467 747 2,06 2,06 15 4 2,35
1950
6100
10000
3655
2690
3655
1950
2796
2350
2350
170
Tablica 2. Wyniki badań właściwości betonów w zarobach próbnych i w konstrukcji
symbol fcm,cube fcm fctm Ecm
�cm �cm
mieszanki MPa MPa MPa GPa kg/m3
1 2 3 4 5 6 7
I 54,00 - - - - 2,32
II 60,05 44,4 - - - 2,36
III 58,64 43,13 2,84 34,21 0,156 2,34
Fundament 1 - 39,31 2,99 33,67 0,157 2,35
Fundament 2 - 38,09 2,86 33,33 0,153 2,32
Odmiennie postępowano z próbkami do pomiaru skurczu (100�100�500 mm); po
jednej dobie w sąsiedztwie fundamentów próbki wraz ze stalowymi formami przewożono do
laboratorium, osadzano łoż yska do aparatu Amslera i prowadzono pomiary. Badania skurczu
miały charakter kontrolny dla zarobów próbnych (zaroby II i III) oraz  dla kontroli  dla
próbek pobranych z betonu obydwu fundamentów. Wszystkie te próbki przechowywano w
stałych warunkach termicznych (ok. +150C) i wilgotnościowych (RH ok. 70%).
Wyniki badań skurczu podano na rys. 2. Niezależ nie od nieuniknionych różnic w
warunkach pobrania i przechowywania próbek w pierwszej dobie wykresy odkształceń
wskazują na bardzo podobny przebieg skurczu i stosunkowo niewielkie wartości.
Rys. 2. Porównanie przebiegu odkształceń skurczu w próbkach zarobów próbnych
(zpII i zpIII) oraz w próbkach pobranych z obydwu fundamentów (F-1 i F-2)
W celu ograniczenia wpływów warunków atmosferycznych przewidziano następujące
zabiegi techniczne dla każdego z fundamentów:
wzniesiono nad fundamentem cieplak w postaci drewnianego szkieletu i osłon z tkaniny
syntetycznej (rys. 3) i zamocowano pod fundamentem osłony kurtynowe sięgające do
poziomu terenu; konstrukcja cieplaka pozwalała na wprowadzenie od strony jednej ściany
bocznej ramienia pompy podającej mieszankę,
zabezpieczono dwa zestawy termo-dmuchaw dużej wydajności, jeden pod deskowaniem
dna fundamentu, drugi ponad i w otworach fundamentu; w każdym zestawie były dmuchawy
elektryczne i spalinowe, w celu zapewnienia ciągłości grzania w razie awarii zasilania,
 171
na stropie obok fundamentu umieszczono naczynia z podgrzewaną wodą do pielęgnacji,
w trzech wybranych miejscach na rzucie fundamentu zamocowano do zbrojenia sondy
do pomiaru temperatury na wysokości za pomocą termopar, z wyprowadzeniem przewodów
do góry do stanowiska pomiarowego,
zabezpieczono elektroniczną rejestrację temperatury przywożonej mieszanki betonowej
oraz stanowisko kontroli konsystencji mieszanki na poziomie terenu przed podaniem do
pompy i po przepompowaniu na poziom stropu przy fundamencie,
zabezpieczono rejestrację temperatury i wilgotności wewnętrznej i zewnętrznej.
a)
projektowany fundament
10,50
+
+ 8,15
lozyska
amortyzatory
glówne slupy
ą 0,00
"namiot"
b)
z tkaniny
10,50
+
1
8,15
+
1
ą 0,00
Rys. 3. Schemat realizacji fundamentu w cieplaku (przekrój poprzeczny):
a) stan przed realizacją, b) schemat cieplaka w czasie realizacji; 1  zespoły nagrzewnic
172
Mieszankę w każdej betoniarce samochodowej (6 m3) kontrolowano pod względem
temperatury i konsystencji. Mieszanki nie spełniającej wymagań (temperatura +200C ą 60C
i opad stożka w przedziale 8  15 cm) nie przyjmowano do wbudowania.
Betonowanie prowadzono za pomocą pompy, warstwami o grubości od 30 cm do 40
cm, zależnie od stopnia utrudnienia w danym fragmencie, w związku z zagęszczeniem
zbrojenia lub zaformowaniem otworów śrub kotwicznych. W czasie całego procesu ciągłego
betonowania (około 14 godzin) oraz przez następne 10 dni prowadzono rejestrację zmian
temperatury w poszczególnych warstwach.
4. Kontrolne pomiary temperatury betonu w konstrukcji
Obydwa fundamenty betonowano w warunkach obniżonych temperatur otoczenia.
Przestrzegano zatem odpowiedniego podgrzewania mieszanki i utrzymywano podwyższoną
temperaturę w całym cieplaku.
W przypadku pierwszego z realizowanych fundamentów rozpoczęto betonowanie przy
temperaturze zewnętrznej  20C, a zakończono w nocy przy  110C. W drugiej dobie
temperatura zewnętrzna spadła jeszcze do  140C W przestrzeni cieplaka utrzymywano
temperaturę od +50C do +100C. Taki proces podgrzewania powietrza był wystarczający dla
ograniczenia różnic temperatury między warstwą wewnętrzną (w połowie wysokości w
miejscu pomiaru), a warstwami zewnętrznymi (górne i dolne 20 cm konstrukcji) do
przedziału około 200C.
W przypadku drugiego fundamentu rozpoczęto betonowanie przy temperaturze
zewnętrznej 00C, a zakończono w nocy przy  110C. Z uwagi na silny wiatr nie udawało się w
czasie betonowania i przez następne kilka godzin utrzymać w cieplaku temperatur dodatnich.
Dopiero w kilka godzin po zakończeniu betonowania udało się opanować temperaturę w
przestrzeni cieplaka i utrzymywać od +100C do +170C. W rezultacie udało się uzyskać
ograniczenie różnicy temperatury między warstwą wewnętrzną a warstwami zewnętrznymi
do przedziału poniżej 200C w okresie wiązania.
Na rys. 4 podano dla trzech badanych fragmentów fundamentu drugiego, wyposażo-
nych w sondy z termoparami (patrz rys. 1), wykresy zmian temperatury w charak-
terystycznych warstwach: dolnej (linie 1, 2, 3), środkowej (4, 5, 6) i górnej (7, 8, 9).
Stopniowa stabilizacja temperatury konstrukcji i wyrównywanie temperatury w
warstwach odbywało się począwszy od końca drugiej doby po zakończeniu betonowania. W
obydwu fundamentach intensywne podgrzewanie cieplaków zakończono po trzech dobach.
Jest charakterystyczne, że w wyż szej części obydwu fundamentów (przekrój H/B
=2,80/2,65 m, z większą liczbą wykrojów  wykresy dla sondy C) przebieg stygnięcia był
korzystniejszy, niż w blokach niższych, a szerszych (wykresy dla sond A i B).
5. Podsumowanie
Omawiane fundamenty stwarzały znaczne problemy wykonawcze z racji dużej masy
konstrukcji (700 ton) na wysokim rusztowaniu, masywnych przekrojów oraz konieczności
betonowania w zimie. Problemy zapewnienia wymaganej wytrzymałości betonu i
zabezpieczenia przed rysami od wpływów termiczno-skurczowych były szczególnie
eksponowane przez inwestora, bowiem konstrukcja będzie poddana intensywnym
obciążeniom dynamicznym.
W wyniku opisanych prac przygotowawczych i zabiegów technicznych w czasie
betonowania udało się spełnić wszystkie wymagania i pomimo niekorzystnych warunków
atmosferycznych w okresie samego betonowania i w dniach następnych  udało się uzyskać
 173
A
B
C
Rys. 4. Rozkłady temperatur w twardniejącym betonie rejestrowane w trzech wybranych
fragmentach (sondy A,B,C) i w trzech poziomach na wysokości fundamentu drugiego
174
zamierzone cele. Zastosowano przy tym ograniczone i w pełni dostępne środki techniczne, a
realizując dwa bliz
niacze fundamenty w odstępie 14 dni udało się wykorzystać
zaangażowane środki dwukrotnie (deskowania, rusztowania, cieplak, zespoły nagrzewnic).
Pełne rozdeskowanie i usunięcie znacznej części rusztowań oraz opuszczenie na
łożyska pierwszego fundamentu już po 10 dniach (uwarunkowane uzyskaniem 70%
wytrzymałości 28-dniowej), stało się możliwe dzięki wyeliminowaniu działania niskich
temperatur i utrzymywaniu w pierwszych trzech dobach stosunkowo wysokiej temperatury
betonu. Już po czterech dniach od zabetonowania fundamentów, w badaniach
sklerometrycznych stwierdzono wytrzymałość średnią e" 30 MPa, przy średniej
jednorodności (kR= 0,79�0,86).
Na skalę nieznaną z literatury przeprowadzono grzanie masywnej konstrukcji zarówno
od dołu  przez deskowanie, jak i od góry  przez folie zabezpieczające beton przed utratą
wilgoci. Pozwoliło to utrzymać różnice temperatury na wysokości w zakresie założonego
przedziału 200C, a tym samym uniknąć zarysowań termicznych na powierzchni betonu.
Literatura
[1] ACI Committee 116: Cement and Concrete Terminology (ACI 116R), American
Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan 2000, 73 str.
[2] ACI Committee 207: Mass Concrete (ACI 207.1R-96), American Concrete Institute,
Farmington Hills, Michigan 1996, 42 str.
[3] KIERNOŻYCKI W., Niektóre problemy techniczne wykonawstwa betonowych budowli
masywnych. Inżynieria i Budownictwo, nr 3, 1995, s. 140-144.
[4] KIERNOŻYCKI W., Metody realizacji masywnych elementów płytowych z uwagi na
oddziaływania pośrednie twardniejącego betonu. XVII Konferencja Warsztat Pracy
Projektanta Konstrukcji, Ustroń 20  23 luty 2002; tom II, s. 27-69.
[5] GAJDA J., VANGEEM M., Controlling Temperatures in Mass Concrete. Concrete
International, Vol. 24, No.1, 2002, s. 59-62.
[6] Instrukcja ITB Nr 282: Wytyczne wykonywania robót budowlano-montażowych w
okresie obniżonych temperatur. Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 1988, 439 str.
[7] ŚLIWIC
SKI J., Betonowanie zimą. Polski Cement, Nr 1, 2000, s. 28-30.
LARGE-SIZE REINFORCED CONCRETE STRUCTURES
CONSTRUCTED IN WINTER  REALISATION EXPERIENCES
Summary
The report presents a case study dealing with construction of large-size reinforced concrete
structures in winter season. Two problems were connected in this case: mass concrete and
winter concreting. The actions concerning preparations and protection of proper construction
process are presented together with the accompanying tests. Two foundation structures were
erected properly despite the rapid changes of external conditions and serious decrease of the
temperature outside. Monitoring of temperatures in particular layers of concrete in was
necessary to make corrections in heating of the neighbourhood of structure. Instead of the
popular cooling of internal parts of mass concrete, the controlled heating of external layers
(top and bottom) was introduced to keep limited differences of temperature throughout the
thickness of structure.