02_Dyduch_K_i_inni_Odbudowa_zniszczonego_wybuchem_biogazu_stozkowego_przekrycia_zelbetowej_komory_fermentacyjnej_ZKF.pdf

XXIV

awariebudowlane

Prof. dr hab. inŜ. K RZYSZTOF D YDUCH , kdyduch@imikb.wil.pk.edu.pl

Dr inŜ. M ARIAN P ŁACHECKI , mplachec@imikb.wil.pk.edu.pl

Dr inŜ. R AFAŁ S IEŃKO , rsienko@imikb.wil.pk.edu.pl

ODBUDOWA ZNISZCZONEGO WYBUCHEM BIOGAZU

STO ś KOWEGO PRZEKRYCIA ś ELBETOWEJ KOMORY

FERMENTACYJNEJ ZKF

CONIC COVER ZKF REINFORCED CONCRETE DIGESTION CHAMBER RECONSTRUCTION

DESTROYED BY BIOGAS EXPLOSION

Streszczenie Przedmiotem referatu jest analiza sposobu rekonstrukcji stoŜkowego przekrycia zamkniętej komo-

ry fermentacyjnej ZKF uszkodzonej w wyniku wybuchu biogazu w oczyszczalni ścieków o objętości uŜytkowej

około 10 000m 3 . W referacie przedstawiono przyczyny uszkodzeń konstrukcji, wyniki analizy obliczeniowej

zbiornika oraz sposób jego odbudowy.

Abstract The subject of the study is an analysis with regard to reconstruction of the conical cover of ZKF closed

digestion chamber in sewage treatment plant of operating capacity of around 10 000 m 3 . The study presents

reasons of damage, structural analysis of a tank and recommended reconstruction.

1. Wst ę p

Standardowym rozwiązaniem w nowoczesnych oczyszczalniach ścieków są zamknięte

komory fermentacyjne wykonywane jako stalowe lub Ŝelbetowe monolityczne. Oryginalna,

w ukształtowaniu geometrii konstrukcji i technologii wykonania, komora fermentacyjna,

będąca przedmiotem referatu została opisana w pracy [1]. Zespół grupowej oczyszczalni ście-

ków stanowią cztery zblokowane komory fermentacyjne ZKF-1–ZKF-4, kaŜda o przekroju

poprzecznym pokazanym na rys. 1.

Podczas próby szczelności, w pierwszej kolejności włączonych do uŜytkowania komór

ZKF-1 i ZKF-2, wystąpiły przecieki świadczące o powstaniu rys pionowych w powłoce wal-

cowej, nad stoŜkowym oddylatowanym dnem. Przecieki wystąpiły równieŜ w strefie

połączenia powłoki walcowej i przekrycia. Po wykonaniu zabiegów uszczelniających, głów-

nie techniką iniekcji ciśnieniowej, włączono obydwie komory do eksploatacji.

Po około rocznym okresie uŜytkowania wystąpiło rozszczelnienie prefabrykowanej konstruk-

cji przekrycia ZKF-2, spowodowane awaryjnym napełnieniem zbiornika, około 1,5m powyŜej

roboczego poziomu ścieków. Osłabioną strefę wzmocniono stalowymi ściągami obejmującymi

sąsiednie Ŝebra prefabrykatów. W czasie próby szczelności gazowej, po wykonaniu napraw

i zapewnieniu szczelności wodnej, nastąpił wybuch biogazu w komorze ZKF-2, a w jego

następstwie znaczne uszkodzenie przekrycia zbiornika i górnej części powłoki walcowej.

XXIVKonferencjaNaukowoTechniczna

SzczecinMiędzyzdroje,2629maja2009

Konstrukcje Ŝ elbetowe

2. Opis konstrukcji zbiornika

Konstrukcja i wymiary zbiornika przedstawione są na rys. 1a. Powłoka walcowa posado-

wiona jest na ławie fundamentowej pierścieniowej. Dno zbiornika o kształcie odwróconego

stoŜka jest posadowione na betonowym fundamencie kołowym o skokowo zmiennej grubości;

na pobocznicy dodatkowo jest wsparte na trzech współśrodkowych studniach o wysokości

200 cm. StoŜkowe dno oddylatowano od powłoki walcowej. Uszczelniony styk umoŜliwia

teleskopowe, niezaleŜne przemieszczenia się dna i powłoki walcowej wzdłuŜ ich osi piono-

wej. Przekrycie zbiornika ma kształt stoŜka ściętego, a jego pobocznicę stanowią 44 prefabry-

kowane, Ŝelbetowe płyty Ŝebrowo-panwiowe. Są one połączone monolitycznymi belkami

pachwinowymi zabetonowanymi między Ŝebrami podłuŜnymi. Ciągłość obwodowego zbroje-

nia w powłoce stoŜkowej na szerokości belek pachwinowych zapewniają połączone przez

spawanie odcinki zbrojenia obwodowego płyt prefabrykowanych – rys. 1b. Górne zbrojenie

poprzeczne łączące belkę pachwinową z Ŝebrami podłuŜnymi prefabrykatów stanowią krótkie

pręty

h) 20

70 cm. Zbrojenie węzła podporowego łączące powłokę z kopułą stano-

12 mm (6 sztuk o długości 2,5 m), kotwione w powłoce walcowej

i w belce pachwinowej oraz zbrojenie górne Ŝeber prefabrykatów, kotwione w wieńcu obwo-

dowym (3

16 mm i

16 mm w kaŜdym Ŝebrze, o długości kotwienia 65 cm).

+ 196,31

+ 192,55

+ 193,30

+ 187,30

+ 188,00

o8co 250

o6co 250, L=480

o6co 250

4 1

+ 177,30

mieszadło

istnie jący zbiornik

ZKF-7.2

5 1

o2200

5 1

połączenie spawane

skośnie ustawianych prętów

(o10, o12, o16)

+ 167,30

6 4

215

+ 157,30

6 4

o2200

6 4

2328

Rys. 1. a) przekrój poprzeczny przez zbiornik ZKF

b) szczegół połączenia zbrojenia obwodowego prefabrykatów stoŜka przekrycia

748

6 mm co 25 cm w kształcie litery L o łącznej długości 48 cm. W górnej części stoŜka

przekrycia wykonana jest monolityczna Ŝelbetowa płyta kołowa o grubości 50 cm i średnicy

600 cm, krzyŜowo zbrojona przy obu powierzchniach.

Prefabrykowane przekrycie połączone jest z powłoką walcową wieńcem obwodowym

o wymiarach (b

wią pręty

Dyduch K. i inni: Odbudowa zniszczonego wybuchem biogazu sto Ŝ kowego przekrycia Ŝ elbetowej...

Wszystkie elementy zbiornika wykonano z betonu klasy B30 i stali gatunku 18G2.

Wskutek znacznych uszkodzeń spowodowanych wybuchem biogazu zbiornik ZKF-2 został

wyłączony z uŜytkowania. W kontekście niepowodzeń przy próbie szczelności zbiorników

ZKF-1 i ZKF-2 oraz awarii zbiornika ZKF-2 Inwestor podjął decyzję wzmocnienia wszy-

stkich zbiorników przez spręŜenie zewnętrzne. Analiza i opis sposobu wzmocnienia zostały

zamieszczone w referacie [2].

3. Opis uszkodze ń zbiornika ZKF-2 i analiza przyczyn ich powstania

3.1. Zakres uszkodze ń

Widok uszkodzonego przekrycia ZKF-2 przedstawiono na (rys. 2).

Główne elementy uszkodzeń to:

−

rozerwanie w kilku przekrojach na obwodzie połączenia prefabrykowanych Ŝeber z nadbe-

tonem (rys. 2a), wskutek przeciąŜenia uogólnionymi równoleŜnikowymi siłami wew-

nętrznymi,

−

rozerwanie na części obwodu połączenia prefabrykowanego przekrycia z powłoką walcową

w poziomie wieńca obwodowego (poziom +187,30m),

−

lokalne rozerwanie wieńca obwodowego oraz przemieszczenie wieńca obwodowego na

zewnątrz wzdłuŜ płaszczyzny jego połączenia z powłoką walcową zbiornika (rys. 2b),

z jednoczesnym uszkodzeniem górnej części powłoki walcowej (rys. 2c),

−

zarysowanie obwodowe górnej monolitycznej płyty przekrycia zbiornika,

−

zarysowanie pionowe powłoki walcowej pod wieńcem obwodowym.

Rys. 2. Morfologia uszkodzeń górnej części zbiornika ZKF-2 spowodowanych wybuchem gazu (opis w tekście)

3.2. Przyczyny uszkodzenia przekrycia zbiornika

a) model obliczeniowy przekrycia zbiornika

Przekrycie zbiornika, złoŜone z prefabrykowanych panwiowych płyt Ŝelbetowych, zbieŜnych

na długości, po zmonolityzowaniu z betonem pachwinowym, stanowi uŜebrowaną powłokę

749

Konstrukcje Ŝ elbetowe

50 cm, h = 55 cm, w górnej części łączącymi się przy monolitycznej poziomej kołowej

płycie. Takie ukształtowanie uŜebrowania przekrycia prawdopodobnie skłoniło autorów

dokumentacji projektu wykonawczego do odwzorowania pracy stoŜka przekrycia pionowymi

ramownicami, obciąŜonymi zmiennym na wysokości parciem ścieków. W konsekwencji

wyeksponowana została praca przestrzenna powłoki przekrycia w płaszczyźnie południkowej,

przy całkowitym zaniedbaniu płaszczyzny równoleŜnikowej.

Zbrojenie obwodowe (równoleŜnikowe) prefabrykatów przekrycia ustalono przy schemacie

jednokierunkowo zbrojonej płyty, zamocowanej w Ŝebrach, obciąŜonej zmiennym na wyso-

kości parciem ścieków. Połączenie zbrojenia obwodowego prefabrykatów przekrycia zrealizo-

wano poprzez spawanie na długości zakładu w belkach pachwinowych (rys. 1b). Połączenie

obwodowe Ŝeber przekrycia w ich górnej części, w obrębie nadbetonu pachwinowego,

zrealizowano przy zastosowaniu łączników z prętów gładkich

6 mm co 25 cm, typu

kątowego (rys. 1b). Pręty te były zaginane po ułoŜeniu zbrojenia pachwiny.

Wyszczególnione powyŜej dwa detale konstrukcyjne połączenia obwodowego prefabryka-

tów stanowiły najsłabsze ogniwo stoŜkowego przekrycia, które w pierwszej kolejności

zawiodło juŜ w początkowym okresie uŜytkowania zbiornika, wskutek nieznacznego przecią-

Ŝenia (około 3%) w stosunku do roboczego obciąŜenia komory ZKF. Podczas wybuchu bio-

gazu, wzdłuŜ płaszczyzny połączenia prefabrykatów z nadbetonem pachwinowym, nastąpiło

rozerwanie konstrukcji przekrycia zbiornika ZKF-2.

b) model obliczeniowy powłoki walcowej zbiornika

Na etapie projektowania, w modelu obliczeniowym powłoki walcowej zbiornika, nie uwzglę-

dniono oddziaływania górnego pierścienia dna zbiornika na powłokę. Zapewnienie piono-

wego teleskopowego przemieszczania się dna zbiornika względem powłoki walcowej

(np. wskutek zróŜnicowanego osiadania) nie wyeliminowało moŜliwości wystąpienia oddzia-

ływań radialnych. Przy niezaleŜnym oddziaływaniu powłoki walcowej i stoŜka dna, zastoso-

wanym w projekcie wzmocnienia zbiorników ZKF-1, ZKF-3 i ZKF-4 [2], uzyskano około

2,5-krotnie większe przemieszczenia dna w porównaniu z przemieszczeniem na tej wysokości

powłoki walcowej. Oszacowane, równomiernie rozłoŜone na obwodzie, liniowe obciąŜenie

powłoki walcowej, odpowiadające róŜnicy przemieszczeń powłoki walcowej i górnego pier-

ścienia dna, wyniosło około 340kN/m. Spowodowana jego działaniem siła równoleŜnikowa,

nie uwzględniona na etapie projektowania, była prawdopodobnie główną przyczyną zaryso-

wania zbiornika w tej części wysokości powłoki walcowej, które nastąpiło podczas próby

szczelności (rysy pionowe o rozwartości około 0,2–0,3 mm, równomiernie rozłoŜone

na obwodzie zbiornika). PowyŜsza wada dokumentacji projektowej nie miała wpływu na

pracę statyczną powłoki stoŜkowej przekrycia.

4. Analiza mo Ŝ liwych rozwi ą za ń konstrukcyjnych przy odbudowie przekrycia zbiornika

Zaawansowane uszkodzenia konstrukcji przekrycia przesądziły o konieczności jego

rozbiórki. Lokalne uszkodzenia, na wysokości około 0,80m, wystąpiły takŜe w górnej części

powłoki walcowej (por. rys. 2b i 2c).

Analizując moŜliwości odbudowy przekrycia rozpatrzono wariant przekrycia

monolitycznego oraz prefabrykowanego. W obydwu rozwiązaniach uwzględniono przypadek

wystąpienia awaryjnego napełnienia ściekami, do całkowitego wypełnienia komory, łącznie

z ciśnieniem biogazu.

750

stoŜkową o grubości płyty 12 cm, z promieniowymi Ŝebrami o przekroju poprzecznym

Dyduch K. i inni: Odbudowa zniszczonego wybuchem biogazu sto Ŝ kowego przekrycia Ŝ elbetowej...

Przy załoŜeniu, Ŝe powłoka stoŜkowa nie będzie spręŜona, w wersji monolitycznej

konstrukcji przekrycia uzyskano w najbardziej wytęŜonych przekrojach znaczną koncentrację

zbrojenia, zarówno w strefie ściskanej jak i rozciąganej. W tablicy 1 pokazano przykładowo

wyniki analizy wytrzymałościowej w wybranych, ekstremalnie wytęŜonych przekrojach

południkowych powłoki stoŜkowej o gr. 18 cm. Kolejno przytoczono wartości momentów

zginających i sił rozciągających, pola powierzchni zbrojenia wymaganego ze względu na

spełnienie warunku stanu granicznego nośności na mimośrodowe rozciąganie, obliczone dla

przyjętego zbrojenia szerokości rozwarcia rys oraz wyznaczone z warunku zapewnienia

szczelności w k £

Tablica 1. Wybrane wyniki analizy wytrzymałościowej monolitycznej powłoki stoŜkowej zbiornika – zbrojenie

równoleŜnikowe

ZBROJENIE RÓWNOLE ś NIKOWE

wielko ś ci statyczne

M Sd = -32 kNm

N Sd = 210 kN

M Sd = -40 kNm

N Sd = 700 kN

M Sd = -36 kNm

N Sd = 550 kN

M Sd = -36 kNm

N Sd = 200 kN

zbrojenie wyznaczone

z warunku SGN na

mimo ś ród. rozci ą g.

A s1 < 0

A s1 =20,92 cm 2

A s1 =17,54 cm 2

A s1 < 0

A s2 < 0

A s2 =1,66 cm 2

A s2 =0,20 cm 2

A s2 < 0

A s1 =13,40 cm 2 =>

A s1 =21,16 cm 2 =>

A s1 =18,28 cm 2 =>

16co11cm

A s1 =13,40 cm 2 =>

zbrojenie przyj ę te

A s2 =13,40 cm 2 =>

16co15 cm

zarysowanie wyliczone

dla przyj ę tego zbrojenia

w k = 0,36 mm

w k = 0,38 mm

w k = 0,39 mm

zbrojenie wyliczone

z SGU (w k < 0,1 mm)

A s1 =28,73 cm 2 =>

A s1 =53,38 cm 2 =>

A s1 =47,24 cm 2 =>

20co6,5 cm

A s1 =28,73 cm 2 =>

A s2 =13,40 cm 2 =>

16co15 cm

Ograniczenie szerokości rozwarcia rys do 0,1 mm spowodowało, Ŝe zbrojenie

zapewniające spełnienie tego warunku ze względów technicznych (znaczne zagęszczenie

duŜych średnic prętów zbrojeniowych) było praktycznie niewykonalne. Zwiększanie grubości

powłoki nie dawało poŜądanych rezultatów w postaci istotnej redukcji pola powierzchni

wymaganego zbrojenia, gdyŜ powodowało wzrost jej sztywności, a w konsekwencji takŜe

przyrost wytęŜenia.

Nadto nachylenie tworzącej stoŜka wynoszące około 45 o wymuszało zastosowanie obu-

stronnego deskowania powłoki podczas jej betonowania.

Efektywne zmniejszenie wartości momentów zginających i sił rozciągających (równoleŜni-

kowych) moŜna uzyskać przez spręŜenie powłoki. Zabieg ten w istotny sposób redukuje

niezbędne zbrojenie miękkie powłoki stoŜkowej, jednak wymaga wprowadzenia jej

uŜebrowania w celu właściwego zakotwienia stabilizatorów cięgien spręŜających, co

dodatkowo utrudnia realizację monolitycznego przekrycia zbiornika ZKF.

Rozpatrzono równieŜ odbudowę przekrycia zbiornika przy zastosowaniu elementów

prefabrykowanych, o podobnej konstrukcji do pierwotnego rozwiązania projektowego. Za

takim rozwiązaniem przemawiała moŜliwość wykorzystania istniejącego wyposaŜenia techno-

751

0,1 mm zbrojenie minimalne, które powinno zostać zastosowane w przekroju.

16co15 cm

16co9,5 cm

16co15 cm

16co7 cm

20co6 cm

16co7 cm

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: