04_Hnidec_B_i_inni_Analiza_przyczyn_stanu_awaryjnego_i_zniszczenia_zelbetowego_zbiornika_wiezowego.pdf

XXIV

awariebudowlane

XXIVKonferencjaNaukowoTechniczna

SzczecinMiędzyzdroje,2629maja2009

Prof. dr hab. inŜ. B OHDAN H NIDEC

Prof. dr hab. inŜ. W IKTOR K WASZA

St. nauk. pracownik L UBOW S ALIJCZUK

Wydział Budownictwa i InŜynierii Środowiska, Politechnika Lwowska

ANALIZA PRZYCZYN STANU AWARYJNEGO I ZNISZCZENIA

ś ELBETOWEGO ZBIORNIKA WIE ś OWEGO

ANALYSIS OF REASONS OF THE EMERGENCY STATE AND DESTRUCTION OF

REINFORCED-CONCRETE WATER-TOWER

Streszczenie Podano wyniki analizy wystąpienia stanu awaryjnego oraz przyczyn zniszczenia zbiornika

wieŜowego.

Abstract The analysis of reach of the emergency state and reason of destruction of water-tower is presented.

Wst ę p

śelbetowe zbiorniki wieŜowe naleŜą do jednej z odmian cienkościennych konstrukcji

przestrzennych, które z reguły, wykonuje się w monolitycznym Ŝelbecie. Przy ich budowie

stawia się odrębne, podwyŜszone wymagania dotyczące technologii wykonawstwa prac

i zabezpieczenia przewidywanych projektem warunków eksploatacji. Niedotrzymanie tych

wymagań moŜe spowodować zawalenie się budowli. Przykład takiego zawalenia budowli

zaprezentowano poniŜej jako wynik wykonanej techniczno-budowlanej ekspertyzy z ustale-

niem przyczyn zniszczenia Ŝelbetowego zbiornika wieŜowego, zbudowanego na terenie

kopalni górniczo-chemicznego kombinatu produkcji siarki. Celem pracy była analiza okolicz-

ności powstania awaryjnego stanu i ustalenia przyczyn zniszczenia zbiornika wieŜowego.

1. Konstrukcja zbiornika wie Ŝ owego, budowa i warunki eksploatacji

Zbiornik wieŜowy o wysokości 35 m (rys. 1) ma cylindryczny, monolityczny szyb Ŝelbeto-

wy o zewnętrznej średnicy 7,1 m ze stałą po wysokości szybu grubością ściany 20cm.

Projektowa klasa betonu B15 (marka 200). Szyb zbrojony jest podwójną siatką z prętów

o średnicy 10 mm o oczkach 200×200 mm.

Szyb wieŜy posadowiony jest na okrągłej płycie Ŝelbetowej załoŜonej 2,5 m poniŜej

powierzchni terenu. W poziomie posadowienia zalega grunt gliniasty ze wskaźnikiem

konsystencji od miękkoplastycznego do twardego

przy współczynniku porowa-

tości

, z umownym oporem obliczeniowym 0

R =0,18...0,2 MPa.

Konstrukcje Ŝ elbetowe

Rys. Ogólny wygląd wieŜy (przekrój)

W górnej części na poziomie 35,00 m szyb wieŜy kończy się nośną okrągłą płytą Ŝelbeto-

wą o średnicy 10,5 m, na której zainstalowano cylindryczny metalowy zbiornik z płaskim

dnem o objętości 300 m 3 .

Szyb wieŜy był betonowany sekcjami w deskowaniu przestawnym w okresie od paździer-

nika do grudnia przy dodatnich temperaturach, które wahały się w granicach 3...8ºC.

Mieszanka betonowa pochodziła ze scentralizowanego węzła i na podstawie badań wytrzyma-

łościowych na kostkach sześciennych odpowiadała wymaganiom projektu. Faktyczna wytrzy-

małość betonu według wyników trzech badań dla kaŜdej sekcji o wieku 8...28 dni wahała się

w granicach 18,1...22,5MPa. Według danych dokumentacji wykonawczej zewnętrzna i wew-

nętrzna powierzchnia szybu były dokładnie zacierane zaprawą cementowa, a przerwy robocze

na styku sekcji nie miały napływów i małŜowin. Jakość wykonania prac była zadowalająca.

Geodezyjnie potwierdzona była równieŜ pionowość szybu wieŜy zbiornika.

W systemie sieci wodociągowej kopalni zbiornik wieŜowy był eksploatowany przy pełnym

projektowym obciąŜeniu przez okres dłuŜszy niŜ dziewięć lat, a po tym czasie był wyelimino-

wany z systemu wodociągu kopalni i aŜ do zniszczenia nie był eksploatowany.

Czynnikiem komplikującym eksploatację wieŜy przez cały okres jej istnienia było –

w stosunku do podstawowych obciąŜeń pionowych i poziomych wiatrem – oddziaływanie dyna-

micznych obciąŜeń od przemysłowych eksplozji w kopalni. Według zaprezentowanych doku-

mentalnych świadectw w kopalni przeprowadzało się blisko 150 eksplozji na rok przy

przeciętnej wielkości ładunku masowej eksplozji 8...10 t i interwale spowolnienia 25 m/sek.

Masa ładunku materiału eksplodującego na jeden stopień spowolnienia wynosiła do 2,0 t.

764

Hnidec B. i inni: Analiza przyczyn stanu awaryjnego i zniszczenia Ŝ elbetowego zbiornika wie Ŝ owego

Odległość od miejsca eksplozji do wieŜy zbiornika określona z planu wydobycia ze złoŜa

z oznaczeniem miejsc przeprowadzenia eksplozji w okresie zawalenia wieŜy wynosiła 1670 m.

2. Charakter i warunki zniszczenia zbiornika wie Ŝ owego

Zawalenie się wieŜy zbiornika nastąpiło rano przed początkiem dniówki (przy nieobecności

pracujących) błyskawicznie. Przypuszczalnie zniszczenie szybu rozpoczęło się na wysokości

1,2...1,8 m od powierzchni terenu (czyli orientacyjnie w granicach drugiej sekcji betonowania –

od poziomu 1,2 do poziomu 1,8 m). Osobliwością zniszczenia jest runięcie wieŜy «na bok» czyli

przewrócenie się szybu (rys. 2а). Wskutek uderzenia przy spadaniu szyb wieŜy «roztrzaskał» się.

Odłamki betonu były przewaŜnie duŜych rozmiarów. Małe odłamki były tylko w dolnej części,

gdzie odbyło się początkowe złamanie szybu i w górnej części, gdzie najbardziej zaznaczyły się

konsekwencje uderzenia o ziemię skupionej masy górnej płyty (rys. 2 b, c.).

Rys. 2. Ogólny wygląd zniszczenia wieŜy upadku

Wyszarpywanie zbrojenia obserwowało się tylko w dolnych i górnych częściach szybu i to-

warzyszyła mu destrukcja warstwy ochronnej. Charakter zniszczenia w dolnej części szybu

moŜna odnieść do zniszczenia od łącznego oddziaływania zginania i skręcania. O obecności

skręcania się szybu świadczą pochyłe zarysowania w jego dolnej części. Zniszczenie szybu

w górnej części i rozdrobnienie betonu nastąpiło wskutek wstrząsu od uderzenia górnej płyty

o ziemię.

765

Konstrukcje Ŝ elbetowe

W momencie zniszczenia szyb wieŜy był obciąŜony tylko cięŜarem własnym elementów

wieŜy i zbiornika. Tymczasowe obciąŜenie (woda w zbiorniku i korzystne obciąŜenie na

górnej płycie) były nieobecne. Temperatura powietrza wynosiła -1,0°C, a szybkość wiatru –

1 m/sek., w porywach do 5 m/sek. W momencie zniszczenia eksplozyjne czynności w kopalni

nie odbywały się.

3. Wyniki kontrolnych oblicze ń i przyczyny zniszczenia zbiornika wie Ŝ owego

Przeprowadzone obliczenia kontrolne miały na celu sprawdzenie, czy moŜliwe jest znisz-

czenie wieŜy w dolnej części przez niedostateczną wytrzymałość betonu (obliczenie na łączne

działanie pionowych i poziomych obciąŜeń wiatrowych), czy teŜ wskutek działania dodatko-

wych wielokrotnych impulsowych obciąŜeń od przemysłowych eksplozji w kopalni i działanie

eksplozyjnej powietrznej fali.

Obliczenia na pionowe i poziome obciąŜenia wiatrowe (rys. 3) były wykonane w dwóch

wariantach: przy załoŜeniu, Ŝe wytrzymałość betonu odpowiada projektowej, a na wieŜę

działają maksymalne obciąŜenia obliczeniowe, i przy załoŜeniu, Ŝe jest ona o 50% mniejsza

od projektowej, a na wieŜę działają realne w momencie zniszczenia obciąŜenia: cięŜar własny

konstrukcji, cięŜar zbiornika bez wody, obciąŜenie wiatrem, które odpowiada szybkości

wiatru 1 m/s, (w porywach do 5 m/s). Obliczenia według pierwszego wariantu wykazały, Ŝe

nośność szybu wieŜy jest zapewniona, czyli potwierdziły prawidłowość powziętych rozwiązań

projektowych. Obliczenia według drugiego wariantu równieŜ potwierdziły dostateczną

nośność szybu, mimo zaniŜenia wytrzymałości betonu na 50%. Stąd wyeliminowano przypu-

szczenie o moŜliwości zniszczenia szybu od niedostatecznej wytrzymałości betonu.

Rys. 3. Schematy obliczeniowych obciąŜeń szybu wieŜy: a –wykres obciąŜenia wiatrem; b – pionowe obciąŜenia;

c – oś zginania szybu, razem z pionowym obciąŜeniem.

Ten wynik potwierdza się równieŜ charakterem zniszczenia i połoŜenia zawalonego szybu,

które świadczy, Ŝe zniszczenie nastąpiło nie od ściskania, jak to miałoby miejsce przy niedo-

statecznej wytrzymałości betonu, a od zginania. Charakterystyczne zniszczenie od ściskania

przy niskiej wytrzymałości betonu to niemal pionowe osiadanie górnej części wieŜy z rozdro-

766

Hnidec B. i inni: Analiza przyczyn stanu awaryjnego i zniszczenia Ŝ elbetowego zbiornika wie Ŝ owego

bnieniem betonu dolnej części po konturze całego szybu, taki wypadek zniszczenia jest

opisany w [1]. W danym wypadku nastąpiło miejscowe złamanie odcinka szybu, po czym

wieŜa pochyliła się, a potem upadła «na bok» ze zginaniem i jednoczesnym przewróceniem

szybu i jego zniszczeniem od uderzenia o ziemię.

Wyniki badań wpływu sejsmicznego efektu od przemysłowych eksplozji na stan budowli

kopalni, wykonanych przez naukowo-badawczy instytut (NBI) geofizyki AN Ukrainy, wyka-

zały, Ŝe najbardziej niebezpiecznym oddziaływaniem na budowle przy masowych eksplozjach

jest uderzeniowa powietrzna fala, od której obciąŜenia podczas oddzielnych eksplozji

przewyŜszają dopuszczalne dla rozlokowanych na terenie kopalni budynków i budowli.

To orzeczenie potwierdzają wyniki oględzin stanu konstrukcji budowli, wysokości do 15,0 m,

rozlokowanych opodal zburzonej wieŜy (budynku administracyjnego kopalni, szkieleto-

wo-płytowego budynku pracowni napraw samochodów i in.). W konstrukcjach nośnych tych

budynków (stropach, płytach ściennych, schodach i in.) uwidocznione są zarysowania o cha-

rakterze, których przyczyna powstania nie ulega wątpliwości. To wynik okresowo powta-

rzanych w ciągu długotrwałego czasu dynamicznych działań od eksplozji w kopalni. Trzeba

równieŜ zaznaczyć, Ŝe NBI geofizyki zalecał w celu zmniejszenia działania powietrznej fali

na budowle ograniczyć cięŜar ładunków jednego stopnia do 1,2...1,4 t i zwiększyć interwał

krótkospowolnionego eksplodowania do 35 m/s, nie zmniejszając ogólnej mocy eksplozji.

Te zalecenia, do czasu zniszczenia wieŜy, nie były wykonane.

NaleŜy uwaŜać, Ŝe dla rozlokowanego obok ze zbadanymi budowlami zbiornika wieŜowe-

go o większej wysokości i znacznie mniejszych rozmiarach w planie, powietrzna fala

uderzeniowa będzie jeszcze bardziej niebezpiecznym czynnikiem, który stwarza obciąŜenia,

większe od krytycznych. ToteŜ wykonano kontrolne obliczenia nośności szybu wieŜy równieŜ

na działanie powietrznej fali uderzeniowej.

PoniewaŜ działanie fali uderzeniowej w okresie istnienia wieŜy powtarzało się

wielokrotnie, moŜna uwaŜać, Ŝe beton szybu pracował w warunkach obciąŜeń wielokrotnie

zmiennych (na zmęczenie), przy znakozmiennym cyklu napręŜeń. ToteŜ nośność pracującego

w takich warunkach szybu naleŜy oceniać nie według wytrzymałości statycznej, a według

wytrzymałości zmęczeniowej betonu.

Na podstawie wyników obliczeń ustalono co następuje:

1. Częstotliwość drgań własnych wieŜy z niewypełnionym wodą zbiornikiem

sek

. Zatem, przy pobudzaniu drgań wieŜy przez eksplozje ma miejsce zja-

wisko, bliskie rezonansu, gdy siły bezwładności mogą wzrastać wielokrotnie.

2. Przy wypełnieniu zbiornika wodą róŜnica między częstotliwością drgań własnych

sek

, staje znacznie

większa, co prowadzi do zmniejszenia sił bezwładności i polepsza warunki pracy szybu wieŜy.

3. Z przedstawionej analizy częstotliwości drgań widać, Ŝe najbardziej niekorzystnym stanem

wieŜy z punktu widzenia jej odporności na działanie powietrznej fali uderzeniowej jest

stan przy zbiorniku niewypełnionym wodą. OtóŜ zaprzestanie eksploatacji wieŜy

(nieobecność wody w zbiorniku) znacznie pogorszyło jej odporność na eksplozje i prakty-

cznie doprowadziło do powstania zjawisk rezonansowych.

4. Wskutek wzbudzonych eksplozjami drgań w betonie dolnej krawędzi szybu wieŜy powsta-

wały znakozmienne napręŜenia: maksymalne na ściskanie 3,42 MPa; minimalne na rozcią-

ganie -1,006 MPa, co stwarzało asymetryczny cykl napręŜeń ze współczynnikiem asymetrii

sek

i wymuszonych, pobudzonych eksplozjami

min

max

, przy którym granica wytrzymałości zmęczeniowej betonu

znacznie maleje.

767

niemal zbiega się z częstotliwością drgań wymuszonych przez eksplozję,

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: