Hodnotenie porúch a staticko-dynamický výpočet betónových sil na cement

1. Úvod

Valcovité inžinierske stavby ako sú napríklad nádrže, silá, komíny a chladiace veže majú veľký pomer medzi plochou vystavenou obklopujúcemu prostrediu a prierezovými rozmermi. Vzhľadom na charakter využívania týchto konštrukcií je ich spoľahlivosť (odolnosť, používateľnosť a trvanlivosť), ohrozená nielen priamym zaťažením ale aj objemovými zmenami od teplotných účinkov, koróziou betónu a výstuže. Teplotné rozdiely sú častou príčinou vzniku a rozvoja zvislých deliacich trhlín, ktoré môžu spôsobiť čiastočnú alebo úplnú stratu schopnosti konštrukcie plniť požadované funkcie.

Silá sú zaťažené predovšetkým vlastnou tiažou, tiažou náplne, vetrom, seizmicitou a účinkami objemových zmien. Teplotný spád v betónovej stene sila na cement je vyvolaný rozdielom teploty medzi čerstvo uloženým cementom (90 až 110 °C) a teplotou obklopujúceho prostredia. Tento teplotný spád je podstatne menší ako napríklad v komínoch (bežne 200 až 300 °C), stena sila však najčastejšie nemá tepelnú izoláciu.

Železobetónová stena sila je z vonkajšej strany najčastejšie vystavená stupňom prostredia XC4 a XF1, z vnútornej strany XC1. Pre prostredie XC4 odporúča STN EN 1992-1-1 [1] maximálnu šírku trhlín 0,3 mm a krytie výstuže c_nom = c_min + Δc_dev = 30 + 10 ≥ 40 mm.

V prípade vyšetrovaných síl sa jedná o štíhle tenkostenné kruhové železobetónové silá na uskladnenie cementu. Vnútorný priemer steny sila je 10,80 m, hrúbka steny 250 mm. Celková konštrukčná výška po atiku je 80,5 m. Dno sila je podopierané betónovou podnožou, ktorá je založená na železobetónovej monolitickej základovej doske. Nakoľko najzávažnejšie poruchy sila sú kaverny v pracovných škárach steny, v posudku sa podrobne analyzuje odolnosť steny sila. Aktuálny stav železobetónovej steny sila sa hodnotí na základe pôvodnej projektovej dokumentácie, výsledkov podrobnej vizuálnej prehliadky, skúšky vzoriek betónu odobraných zo steny sila na stanovenie pevnosti betónu v tlaku, modulu pružnosti, karbonatácie betónu a statického výpočtu.

2. Stavebno-technické hodnotenie

Posudzovaná stena sila bola najprv podrobená vizuálnej prehliadke, ktorá umožňuje lokalizovanie porúch, ktoré vznikajú alebo sa prejavujú na povrchu konštrukcie. Ako príznaky priebehu poruchy sa identifikujú spravidla odchýlky od pôvodného stavu, ako napr. porušené alebo odpadnuté vrstvy, stopy korózie výstuže, vlhké miesta, výkvety, rozvoj trhlín, kaverny a pod. Jadrové vývrty sa použili na overenie pevnosti modulu pružnosti a karbonatácie betónu, hrúbky krycej vrstvy a priemeru výstuže. Nedeštruktívnym prístrojom na báze magnetickej indukcie sa zisťovali osové vzdialenosti vodorovnej a zvislej výstuže.

2.1 Poruchy pôvodných pracovných škár v stene sila

Obr. 1 Kaverna a diera v pracovnej škáre na vonkajšom povrchu steny sila

Vizuálna prehliadka spolu s akustickým trasovaním preukázali silne porušenie dvoch až štyroch celoobvodových pracovných škár v rôznych výškach stien síl. Zo statického hľadiska je treba poruchy pôvodných pracovných škár – vznik hlbokých kaverien (hĺbka 40 až 80 mm), spojené s intenzívnou koróziou betonárskej výstuže považovať za veľmi významné (havarijné) poruchy (obr. 1).

O príčinách vzniku porúch v pracovných škárach možno konštatovať, že sa jedná predovšetkým o technologické chyby počas zhotovovania steny, ktoré v súčasnosti nie je možné jednoznačne identifikovať. Primárne sa jedná o tieto chyby:

• použitie betónu nevhodnej konzistencie
• rozmiešanie čerstvého betónu pri jeho ukladaní
• oneskorené spájanie dvoch betónov v pracovnej škáre
• netesnosť debnenia v mieste pracovnej škáry, čím dochádza k výtoku cementového mlieka a tvorbe pórovitej štruktúry na povrchu betónu
• nedostatočné alebo nadmerné zhutňovanie čerstvého betónu
• neskoré alebo žiadne ošetrovanie uloženého betónu, predčasné oddebnenie a pod.

Najpravdepodobnejšie sa jedná o kombináciu vyššie uvedených chýb.

2.2 Vyšetrovanie trhlín

V rámci vizuálnej prehliadky sa zisťovala poloha, dĺžka a šírka zvislých a vodorovných trhlín.

Zvislé trhliny vznikajú najmä od teplotného spádu medzi vnútorným a vonkajším povrchom steny sila. Jedná sa väčšinou o trhliny prechádzajúce cez celú hrúbku drieku komína (tzv. deliace trhliny). Pri nedostatočnom vystužení drieku komína vodorovnou výstužou pri vonkajšom povrchu sú pomerne široké. Za poruchu sa označujú ak ich šírka w je väčšia ako odporúča STN EN 1992-1-1 (pre vyšetrované silo w ≥ 0,3 mm).

Na stene sila sa vyskytujú aj vodorovné trhliny, ktoré môžu mať rôzne príčiny. Na vyšetrovaných silách prevažujú vodorovné trhliny oproti vertikálnym trhlinám. Vzdialenosti vodorovných trhlín zodpovedajú osovej vzdialenosti vodorovnej prstencovej výstuže, to znamená, že vznikli od expanzných účinkov koróznych splodín. Hĺbka týchto trhlín najčastejšie zodpovedá hrúbke betónovej krycej vrstvy. Príčinou je nedostatočná hrúbka a kvalita krycej vrstvy betónu. Korózia výstuže ohrozuje spoľahlivosť v dôsledku straty prierezovej plochy výstuže a porušenia súdržnosti medzi výstužou a betónom.

3. Staticko-dynamický výpočet

Vyššie opísané silá bola projektovaná v rokoch 1975–1979. Postavená začiatkom 80. rokov. Projektanti v tom čase projektovali podľa rozdielnych predpisov a noriem, ktoré boli v 90. rokoch postupne nahradené súborom euronoriem STN EN 1990 až 1999. Okrem predpisov je zrejmý aj výrazný posun v „možnostiach a výkonoch“ výpočtových systémov. Inými slovami, čo je možné modelovať a vypočítať dnes, sa nedá porovnať s možnosťami v 1975. Dnešné nástroje na nelineárne výpočty, zohľadňujú materiálové a geometrické nelinearity, možno uvažovať X×100 kombinácií zaťažení, riešiť x variant konštrukcie, a využiť automatické dimenzovanie výstuže. To v 1975 nebolo možné.

Čo sa ešte výrazne zmenilo? Sprísnili sa zaťažovacie normy. Projektuje sa na zvýšenú intenzitu zaťaženia vetrom, významne narástlo seizmické zaťaženie. Výpočtové systémy umožňujú analyzovať rôzne teplotné scenáre, ktoré môžu pôsobiť na konštrukciu sila. Napríklad letný, resp. zimný režim prevádzky alebo plnenia sila. STN EN 1991-4, je tak zložitá norma, že statický výpočet sila sa mení na extrémne komplikovaný komplex úloh. Riešenie sa rozvetvuje a projektant „sa musí sa správne rozhodovať“ čo má uvažovať a musí preukazovať. To znamená, že technológia už musí byť naprojektovaná. Rieši odpovede na:

• rozmerové obmedzenia určujú, či je možné normu použiť,
• určiť, či je silo, štíhle, veľmi štíhle, resp. hrubostenné,
• zatriediť silo pre určenie triedy zaťaženia,
• určiť techniku plnenia a vyprázdňovania sypkých materiálov skladovaných v sile,
• zohľadniť vlastnosti materiálov v extrémoch ich štatistického rozsahu ([6] tab. 3.1),
• určiť limity excentricity plnenia sila, určiť kategóriu trenia materiálu a steny sila,
• správne vytvoriť kombinácie zaťažení pre jednotlivé návrhové situácie,
• správne určiť teplotné zaťaženia, odvodené z teplôt definovaných prevádzkou.

V ďalšej časti sa rieši problematika určenia reálnych teplotných zaťažení, ktoré v rôznych scenároch pôsobia na steny sila.

Pre MSO sa uvažovalo s teplotnými účinkami podľa prevádzky sila. Hodnoty boli uvedené v projekte rekonštrukcie, ktorý vypracovala renomovaná projekčná kancelária. Teplotné scenáre – boli aktualizované, upravené o vstupnú teplotu cementu, z pôvodne predpokladaných 110 °C, klesla teplota cementu na 90 °C. Analyzuje sa pôvodný teplotný scenár zimnej prevádzky.

3.1 Pôvodne uvažovaný teplotný scenár zimnej prevádzky: 110º/−24º

Na základe podkladov o návrhu sila sa overil pôvodne uvažovaný scenár teplotného zaťaženia a to nasledovne: teplota vzduchu v exteriéri −24 °C, teplota vonkajšieho povrch sila −7 °C, teplota náplne sila 110 °C, teplota vnútorného povrchu 55 °C. Údaje vstúpili do stacionárneho teplotného výpočtu a teda, teplotné zaťaženie sa definovalo teplotným gradientom medzi vnútorným a vonkajším povrchom.

Nasledujúce výsledky stacionárneho výpočtu dokumentujú množstvo potrebnej výstuže vo výške do 30 m a nad 50 m steny sila. Je to maximálne množstvo vodorovnej výstuže pre všetky kombinácie MSO podľa [6] na vonkajšom povrchu. Zabudované množstvo podľa projektu je do výšky 26,20 m 43,9 cm² a do výšky 31,20 m 37,7 cm² a postupne klesá na 10Ø14 = 15,4 cm².

Potrebná výstuž plášťa do 30 m

Potrebná výstuž plášťa od 55 do 65 m

Obr. 2 Potrebná vodorovná výstuž na vonkajšom povrchu

Po vyhodnotení výsledkov (potrebnej vodorovnej výstuže pri vonkajšom povrchu) možno konštatovať, že v spodnej časti sila do 30 m, je dostatočné množstvo výstuže. Vo výške 30 m, chýba približne 1 cm². V hornej časti sila chýba cca 50 % výstuže. Najviac výstuže je potrebné na vykrytie teplotného gradientu 62 K, čo predstavuje približne 17 cm² výstuže.

Po vyhodnotení výsledkov je zrejmé, že pre návrh vodorovnej výstuže je rozhodujúce zaťaženie od prevádzkových teplôt, konkrétne od rozdielu teplôt na povrchoch sila, t. j. od teplotného gradientu (ďalej T_G). Tento účinok sa preveril nestacionárnym teplo technickým výpočtom v programe SOFiSTiK, verzia 2018.

Realita je ale iná ako predpokladá pôvodné riešenie, nakoľko stacionárne riešenie uvažuje s konštantnou teplotou cementu. Ak sa však úloha rieši nestacionárne – to znamená že cement v čase chladne, teplotné zaťaženia plášťa sa menia v čase a sú podstatne nižšie, Obr. 4 a Obr. 5.

3.2 Nestacionárny teplo-technický výpočet

V nestacionárnom teplotnom výpočte sa uvážilo postupné plnenie sila s horúcim cementom o teplote T_i,cem,1 = 110 °C alebo T_i,cem,2 = 90 °C. Vrstva nového cementu sa plní rýchlosťou 5 m/deň. Uvažuje sa, že vrstva cementu chladne v čase po plnení cez steny sila aj cez jej voľný horný povrch vo vnútri sila. Ako okrajová podmienka výpočtu sa uvažuje šírenie tepla prúdením – medzi vrstvou nového cementu a vzduchom vo vnútri sila a teplotou T_i = 50 °C a medzi stenou sila a vzduchom v exteriéri s teplotou T_o = −24 °C. Medzi stenou sila a cementom dochádza k šíreniu tepla vedením. Schéma plnenia znázornenie okrajových podmienok je na obrázku Obr. 3.

Obr. 3 Schéma plnenia sila (vľavo) a uvážené termálne okrajové podmienky (vpravo)

FEM výpočtový model na nestacionárnu termálnu analýzu je postavený z priestorových elementov BRIC. Fyzikálno-teplotné charakteristiky materiálov sa uvažujú nasledovne:

Okrajové podmienky:
Súčiniteľ prestupu tepla pri vynútenom prúdení (podľa Jonassona): α_pw = 5,6 + 3,95w, kde w je rýchlosť vetra v m/s
Súčiniteľ prestupu tepla pri prirodzenom prúdení: α_p = 6 W/(m² K)
Rýchlosť vetra: w₁ = 3 m/s (mierny vietor).

Obr. 4 Chladnutie steny sila v čase po plnení s horúcim cementom s teplotou 110 °C (vľavo) a 90 °C (vpravo)

Obr. 5 Teplotný gradient v čase od plnenia po hrúbke sila. Teplota horúceho cementu 110 °C (vľavo) a 90 °C (vpravo)

4. Závery

Na základe dlhodobých skúsenosti zo stavebno-technického hodnotenia priemyselných komínov, chladiacich veží a síl sa v príspevku analyzujú príčiny najčastejších chýb a porúch stien železobetónových síl na cement. Rozsah a stupeň poškodenia diagnostikovaných stien síl jednoznačne potvrdili, že najkritickejšie poruchy – kaverny sa vyskytujú v miestach pracovných škár. V príspevku sa konštatuje, že ich vznik je predovšetkým dôsledok technologických chýb počas zhotovovania steny. Najpravdepodobnejšie sa jedná o kombináciu v ods. 2.1 uvedených chýb. Ďalšou významnou poruchou steny sila je pokročilá korózia najmä vodorovnej betonárskej výstuže v dôsledku malej hrúbky a zlej kvality betónovej krycej vrstvy.

Od čias kedy boli vyšetrované silá projektované a zhotovené došlo k výraznému zvýšeniu výkonu výpočtových systémov umožňujúci zohľadniť materiálovú a geometrickú nelinearitu, veľké množstvo kombinácií zaťažení a analýzu rôznych teplotných scenárov prevádzky sila. Nové zaťažovacie normy priniesli zvýšenú intenzitu zaťaženia vetrom a významný nárast seizmického zaťaženia.

Po vyhodnotení výsledkov staticko-dynamického výpočtu je zrejmé, že pre návrh vodorovnej výstuže steny sila je rozhodujúce zaťaženie od prevádzkových teplôt, konkrétne od rozdielu teplôt na povrchoch sila, t. j. od teplotného gradientu. Tento účinok sa preveril stacionárnym i nestacionárnym teplo-technickým výpočtom.

Poďakovanie

Príspevok bol podporený Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. APVV-15-0658 a výskumným projektom VEGA č. 1/0456/17 „Nelineárna analýza betónových a spriahnutých konštrukcií“.

Literatúra

1. STN EN 1992-1-1: 2006: Navrhovanie betónových konštrukcií – Časť 1-1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre budovy, 200 str.
2. STN EN 13084: 2007: Samostatne stojace komíny – Časť 2: Betónové komíny, 24 str.
3. STN 206: 2015: Betón: Špecifikácia, vlastnosti, výroba a zhoda. 92 str.
4. Noakowski P., Schäfer H. G.: Rissbildung in Turmschäften, VGB Kraftwerks-technik,1992, Heft 9, str. 823–831
5. STN EN 1998-4: 2006, Seizmicita – silá, nádrže, potrubia
6. STN EN 1991-4: 2009, Zaťaženia konštrukcií. Časť 4: Silá a nádrže