02 Rezervoari i vodotornjevi - draft.pdf

9. REZERVOARI I VODOTORNJEVI153

9.1. UVOD Armiranobetonski rezervoari se grade za potrebe vodovoda (regulisanje neravnomerne potrošnje ili u slučajevima prekida dotoka vode), kanalizacije, te za razne tehničke potrebe u industriji. Namenjeni su skladištenju tečnosti: ne samo vode, nego i naftnih proizvoda, smola, špiritusa, vina, kiselina, gasova... Generalno, armirani, i prethodnonapregnuti, beton je najekonomičniji materijal za njihovu gradnju, ali pod uslovom (ovde samo posebno naglašeno) da je dobro projektovan i izveden. Armirani beton olakšava zadovoljenja uslova ne samo nosivosti i upotrebljivosti, nego i onih koji se odnose na očuvanje kvaliteta skladištene vode (higijenski uslovi, stabilnost temperature, zaštita od dnevnog svetla...). Rezervoarske konstrukcije su među prvima u kojima je armirani beton primenjen. Armiranobetonski rezervoari se projektuju različitih kapaciteta, prema čemu se klasifikuju na male (do 500), srednje i velike (preko 5000m3). Kapacitet rezervoara je, načelno, određen režimom korišćenja i funkcijom. Rezervoari zapremina većih od 200m3 moraju biti podeljeni na više komora (čišćenja, popravke...). Konstrukcije u kojima se skladište voda ili druge tečnosti se projektuju, poput drugih, sa dovoljnom nosivošću i trajnošću, ali uz dodatni uslov vodonepropusnosti – sprečavanje prolaza vode kroz betonsku konstrukciju. Za razliku od drugih konstrukcija, uslov vodonepropusnosti je često kritičan (najstrožiji) prilikom projektovanja rezervoara i ostali aspekti projektovanja mu mogu biti podređeni.

Sl. 9/1. Ukopani i nadzemni rezervoari

Pri izradi rezervoara, posebna se pažnja mora posvetiti izradi vodonepropusnog betona, u cilju postizanja potrebnog stepena nepropusnosti rezervoara. Da bi se, za tečnosti i gasove, ostvarila nepropusnost, potrebno je proizvesti i ugraditi kompaktan, gust i nepropusan beton. Ovo se postiže pravilnim projektom betona i dobrom ugradnjom. Za vodonepropusni beton, prirodni pesak i šljunak treba pretpostaviti veštačkom pesku i tucaniku, te osigurati dovoljnu količinu najsitnijih frakcija (kameno brašno). Prilikom izvođenja, od posebnog značaja je dobra ugradnja vibriranjem i pažljiva nega betona. Prednost imaju betoni plastičnih konzistencija, sa nižim vodocementnim faktorima. Dodacima se, već dobra, svojstva poboljšavaju. Kao dodatno sredstvo u cilju obezbeđenja vodonepropusnosti, može se koristiti cementno malterisanje površina ili njihovo torkretiranje, kao i premazivanje površina različi-

153

Korišćene reference [13], [15], [16], [43], [44], [45], [49], [78], [79], [80], [6] 403

Brujić - Betonske konstrukcije – radna verzija - 28. novembar 2013

tim smesama (vodeno staklo, cerezit...). Za rezervoare u kojima se skladišti agresivna tečnost, neophodna je unutrašnja obloga od keramičkih pločica, stakla, prirodnog kamena ili savremenih sintetičkih materijala otpornih na dejstvo predmetne hemijske agresije. Uz nepropusnost betona, dobro odabrana, projektovana, dimenzionisana i izvedena temeljna konstrukcija je uslov nepropusnosti rezervoara.

Sl. 9/2. Vodotornjevi i bazeni

Ukopani rezervoari, ukopani zidovi i ploče, moraju biti zaštićeni (izolovani) od agresivnog delovanja podzemnih i površinskih voda. Treba nastojati da rezervoar bude smešten iznad nivoa podzemnih voda, te da se površinske vode dreniraju. Sloj tla iznad rezervoara mora biti minimalne debljine 70cm, kako bi se „amortizovali“ temperaturni uticaji. Nadzemni rezervoari, zbog temperaturnih uticaja, moraju biti dilatirani unutrašnje, prema okolnim objektima ili snabdeveni pokretnim osloncima, kako bi se omogućilo nesmetano temperaturno širenje i sažimanje. Prema obliku, rezervoari mogu biti: kružne ili pravougaone osnove. Posebnu vrstu rezervoara predstavljaju oni podignuti na kule – vodotornjevi, ali i otvoreni rezervoari – bazeni. Mogu biti nadzemni, delimično ili potpuno ukopani. Najčešće se izvode monolitno, ali je moguće i izvođenje od prefabrikovanih elemenata. Mogu se projektovati i kao otvoreni, kada konzolni zidovi redovno dobijaju horizontalno ojačanje na vrhu. Izbor vrste rezervoara zavisi od namene, veličine, ekonomičnosti i vrste tla na kojem se rezervoar temelji.

Sl. 9/3. Stubovi u unutrašnjosti rezervoara, prefabrikovani rezervoar

Sl. 9/4. Montažni „prstenasti“ rezervoar

404

9. Rezervoari i vodotornjevi

Na rezervoarima moraju da budu predviđeni otvori za provetravanje i za prodor cevi. Na mestima otvora u zidu izvode se „mufovi“ od zavarenih limova, za koje se zavaruje armatura zida prekinuta otvorom. Okvir 14

Hidrotehnički beton (JUS U.E3.010)

Tehnički uslovi za izradu i upotrebu hidrotehničkog betona definisani su standardom JUS U.E3.010 (1987). Pod hidrotehničkom konstrukcijom se podrazumevaju objekti ili njihovi delovi koji su stalno ili povremeno u dodiru sa vodom. Beton koji se upotrebljava za izvođenje hidrotehničkih konstrukcija i koji, zbog toga, ima posebna svojstva, naziva se hidrotehnički beton. Prema položaju konstrukcije ili njenog dela u odnosu na nivo vode, hidrotehnički beton može biti: podvodni beton (stalno u vodi), beton u zoni promenljivog nivoa vode (od kote minimalnog do kote maksimalnog vodostaja plus 1m) i beton iznad nivoa vode. Zavisno od dimenzija i položaja konstrukcije, može biti: masivni (beton koji se ugrađuje u konstrukcione delove čija je najmanja dimenzija veća od 1m, a zapremina veća od 10m3) i nemasivni beton (bar jedna dimenzija manja od 1m). Prema pritisku vode, hidrotehnički betoni se klasifikuju na: beton pod pritiskom (preko 1bar) i beton bez pritiska. Prema agresivnosti vode razlikuju se: betoni koji nisu ugroženi delovanjem vode kao agresivne sredine, i betoni koji to jesu. Predmetnim standardom (u sprezi sa komplementarnim) se definišu uslovi kvaliteta sastavnih delova betona, posebno cementa, granulata, vode, dodataka betonu, armature, zatim uslovi kvaliteta betona (čvrstoće, pritisna i zatezna, vodonepropustljivost, otpornost prema delovanju mraza, otpornost prema hemijskom agresivnom delovanju, otpornost prema eroziji, abraziji i kavitaciji, te se definišu termička svojstva betona. Dodatno, daju se načelni uslovi vezani za deformacijska svojstva betona: modul elastičnosti, tečenje i skupljanje betona. Istim standardom su definisani i projekti konstrukcije i organizacije u smislu minimalnog sadržaja, kao i projekat betona. Sa stanovišta izvođenja betonskih radova, definisan je način spravljanja betona, transporta, pripreme za betoniranje, ugradnje betona i njegove nege. Za visoke ili niske temperature, predviđena je primena mera betoniranja na visokim (preko 30ºC), odnosno niskim spoljnim temperaturama (ispod +5ºC). Slabo ugrađen beton ili konstatacija neostvarenosti potrebne vodonepropusnosti podležu sanaciji. U prvom slučaju je predviđeno potpuno uklanjanje kavernoznih mesta do zdravog betona i naknadnu ugradnju betona istih karakteristika, pri čemu se mogu koristiti druga veziva. Ukoliko je propusnost tečnosti posledica prslina, ove se moraju sanirati injektiranjem ili nekim drugim pogodnim načinom. Sanacionim radovima prethodi projekat sanacije. Konačno, standardom se detaljno propisuju mere kontrole kvaliteta betona i ocene kvaliteta betona u konstrukciji.

Sl. 9/5. Hidroizolacija rezervoara – spoj dna i zida

Kod podzemnih rezervoara potrebno je izvesti izolaciju zidova i ploča sa strane zemljanog nasipa i zemljane podloge. Kod visokih nivoa podzemne vode hidroizolacija na spoju dna i zidova je kritično mesto i mora biti pažljivo izvedena. Tipični primeri su u potpunosti ekvivalentni hidro-zaštiti podruma prostorija zgrada i prikazani na slikama u nastavku (Sl. 9/5). Materijali koji se koriste u cilju sprečavanja prodora vode (hidroizolacioni materijali) su:

405

Brujić - Betonske konstrukcije – radna verzija - 28. novembar 2013

asfalt (uobičajeno preko gornje ukopane ploče), bitumenska hartija, drugi sintetički materijali. Lokacija Lokacija budućeg rezervoara je uobičajeno van domena projektantske odluke, ali uslovi tla mogu radikalno uticati na proračun i, kasnije, ponašanje buduće konstrukcije. Tlo bez podzemnih voda sa uniformnim sastavom i nosivošću je idealno. Na žalost, ovakvi uslovi retko mogu biti i ostvareni. Šta više, lokacije rezervoara su uobičajeno na tlu relativno loših karakteristika, sa visokim nivoima podzemnih voda (blisko površini).

Sl. 9/6. Uzgon praznog rezervoara

Visok nivo podzemnih voda mora biti obuhvaćen proračunom, ne samo zbog njihovog agresivnog uticaja, nego i po pitanju uzgona (Sl. 9/6). Sa druge strane, loša nosivost tla može uticati na povećana sleganja, koja su posebno opasna kao neravnomerna. Neravnomerna sleganja su karakteristična za tla promenljivog sastava, poput prikazanog na Sl. 9/7.

Sl. 9/7. Promenljiv sastav tla ispod rezervoara

Podaci o tlu ispod rezervoara moraju biti poznati za potrebe projektovanja i moraju biti rezultat njegovog ispitivanja bušotinama (minimalni prečnik 150mm i dubina 10m, dopunjene manjim bušotinama dubine 3 do 4m). Ispitivanjem tla je neophodno utvrditi i hemijski sastav tla i podzemnih voda, kako bi se utvrdilo eventualno prisustvo sulfata ili drugih hemikalija koje deluju agresivno na beton i koje mogu dovesti do korozije armature. Pažljiva analiza je posebno važna u situacijama kada je lokalitet prethodno korišćen za industrijske potrebe (zagađen) ili kad je reč o tlu koje je bilo potopljeno. Uopšte, istraživanjima tla neophodno je precizno utvrditi sve parametre koji su, prilikom projektovanja, neophodni u cilju obezbeđenja od agresije i neravnomernih i velikih sleganja rezervoara. Projektom konstrukcije rezervoara moraju biti obuhvaćeni svi, od interesa, aspekti koji su vezani za izvođenje. Tako prekidi betoniranja, na primer, moraju biti dati (projektovani) odgovarajućim crtežima, a prilikom izvođenja neophodno je strogo pridržavati se projektovanih. Tretman nastavka betoniranja (u smislu obezbeđenja veze starog i novog betona) mora, takođe, biti dat projektom. Zglobovi moraju biti dati u formi detalja i snabdeveni vodonepropusnim „pregradama“. Načelno, kod rezervoara, dobro definisanje i izvođenje nastavaka i zglobova je odgovornost više projektanta nego izvođača. 406

9. Rezervoari i vodotornjevi

Kod rezervoara koji se izvode na potopljenom tlu ili na tlu sa visokim nivoom podzemne vode mora se, za vreme gradnje, obezbediti odsustvo vode tokom gradnje. Dva osnovna metoda u tom cilju su snižavanje nivoa podzemne vode crpljenjem ili izvođenje zida šipova. Proračunskom procedurom je, kao i uvek, neophodno zadovoljiti granična stanja nosivosti i upotrebljivosti. Prilikom proračuna konstrukcije rezervoara validne su sve odredbe date Pravilnikom za beton i armirani beton (PBAB87). Uobičajeno, proračun prema graničnom stanju nosivosti prethodi drugom, dok, u slučaju rezervoara to je čest slučaj, proverom prema graničnom stanju upotrebljivosti, prethodni rezultati dimenzionisanja mogu biti korigovani. Naime, za objekte u kojima se skladište tečnosti i gasove najveća dopuštena granična širina prslina armiranobetonskih elemenata je propisana na nisku vrednost od 0.1mm. Jako agresivne sredine mogu i prepoloviti ovu maksimalno dopuštenu vrednost, za slučaj kada je povremeno opterećenje opravdano analizirati da je dugotrajnog karaktera (PBAB87, član 113). Odredba kojom se dopušta uvećanje maksimalno dopuštenih širina prslina do 50% u situacijama kada su debljine zaštitnih slojeva veće od minimalnih je od male koristi u slučaju rezervoara. Rezervoarske konstrukcije se, po izvođenju, testiraju (ispituju) u smislu obezbeđenosti specificiranih zahteva. Način ispitivanja je zavisan od pristupačnosti elementa, a dominantan predmet ispitivanja je vodonepropusnost i širina prslina. Ukopane konstrukcije je neophodno ispitati pre zatrpavanja. Praćenje ponašanja (monitoring) konstrukcije je obaveza korisnika i sprovodi se kao mera u sklopu redovnog i obaveznog održavanja betonskih konstrukcija. 9.2. KARAKTERISTIČNA DISPOZICIONA DISPOZICIONA REŠENJA Kružni rezervoari mogu se projektovati kao jednokomorni ili višekomorni. Prema veličini i broju komora, njihovom međusobnom položaju, moguća su različita rešenja rasporeda i oblika (Sl. 9/8, Sl. 9/9, Sl. 9/11). Osim na zidove, ploča rezervoara velike površine se može oslanjati i na stubove, poput pečurkaste konstrukcije. Poželjan raspored stubova u osnovi je takav da su postavljeni krugu, mada su češća rešenja sa ortogonalnim rasterom stubova (Sl. 9/10). Razmak stubova je uobičajeno 3.5 do 4.5m.

Sl. 9/8. Jednokomorni kružni rezervoari

Sl. 9/9. Dvokomorni kružni rezervoar

Sl. 9/10. Pečurkasta ploča

407

Brujić - Betonske konstrukcije – radna verzija - 28. novembar 2013

Manji rezervoari se izvode konstantne debljine zidova, dok se kod većih, u cilju optimizacije, zidovi mogu projektovati i izvoditi promenljive debljine, sužavajući se ka vrhu. Posebna pažnja se mora posvetiti vezi donje ploče rezervoara i zida. Na ovom mestu poželjno je izvođenje propisno armiranog zadebljanja (vute).

Sl. 9/11. Više kružnih rezervoara sa zajedničkom zasunskom komorom

Temeljna ploča može biti izvedena (projektovana) zajedno sa zidovima i stubovima, ili se zidovi i stubovi mogu nezavisno temeljiti (videti npr. Sl. 8/37), a donja ploča se izvesti između ovih temelja. Nepropusnost kroz spojnicu se, tada, obezbeđuje umetanjem bakarnog lima i mase za zaptivanje žljebova (Sl. 9/12a) ili, bolje, pomoću rebraste gumene trake i kita za zaptivanje žljeba (Sl. 9/12b).

Sl. 9/12. Spoj temelja i ploče poda

Gornje, krovne, ploče okruglih rezervoara se najčešće projektuju kao ravne, pune ili rebraste konstrukcije. Ređe je njihovo izvođenje u obliku kupola. Pravougaoni rezervoari se, takođe, projektuju sa jednom ili više komora, a visina im retko prelazi 6m. Neke karakteristične dispozicije rezervoara pravougaone osnove su date na narednim slikama (Sl. 9/13, Sl. 9/14).

Sl. 9/13. Jednokomorni pravougaoni rezervoari

Uglovi rezervoara se ojačavaju vutama, koje su, takođe, armirane. Krovovi se izvode najčešće kao ravne pune ili rebraste ploče. Donja ploča može biti monolitna i kruto spojena sa zidovima, ili se izvode temelji ispod zidova, a donja ploča se lije između njih. Kako su zidovi pravougaonih rezervoara naprezani na savijanje u horizontalnom pravcu (za razliku od kružnih, 408

9. Rezervoari i vodotornjevi

za koje je, u ovom pravcu, karakteristično centrično aksijalno naprezanje), to su debljine njihovih zidova veće nego za kružne.

Sl. 9/14. Dvokomorni rezervoar i zasunska komora rezervoara

9.3. PROJEKTOVANJE PROJEKTOVANJE REZERVOARA Rezervoari se moraju projektovati na način da mogu da prime horizontalno opterećenje od skladištene tečnosti, ali i sva ostala relevantna dejstva. Za kružne rezervoare je karakterističan prijem horizontalnog pritiska (iznutra ili spolja) čistim zatezanjem ili pritiskom u horizontalnom pravcu, saglasno kotlovskoj formuli (Sl. 9/15). Kod pravougaonih rezervoara angažuje se, uz aksijalnu, i savojna otpornost (Sl. 9/16). Osim zadovoljenja kriterijuma nosivosti, niz je detalja kojima kod projektovanja rezervoara mora biti posvećena posebna pažnja, a koji su vezani za primenu konstruktivnih mera, način izvođenja, monitoringa...

Sl. 9/15. Čisto zatezanje ili pritisak kod rezervoara kružne osnove

Sl. 9/16. Zatežuće sile u zidovima pravougaonog rezervoara

Sl. 9/17. Zatezanje u donjoj ploči rezervoara

409

Brujić - Betonske konstrukcije – radna verzija - 28. novembar 2013

9.3.2. IZLOŽENOST ELEMENATA I KONSTRUKCIJE Konstrukcijski beton je izložen različitim okruženjima i uticajima. Donji delovi zidova su uvek izloženi dejstvu tečnosti, dok gornji mogu biti i pokvašeni i suvi. Krov ukupanog rezervoara je vodonepropusno obložen sa gornje strane (sloj asfalta, na primer) i, time, zaštićen od prodora vlage i vode. Sa druge strane, njegovo dno je mesto stvaranja kondenza. Stubovi vodotornjeva su, npr., izloženi alteranativnim suvim–vlažnim uslovima od kiše, makar i ne bili u dodiru sa skladištenom tečnošću. Neki od ovih različitih uslova su prikazani shematski (Sl. 9/18). Što su elementi izloženiji dejstvu vlage, to im je potrebno posvetiti veću pažnju u smislu sprečavanja prodora vlage i karbonizacije, kroz zaštitni sloj, do armature. Korozija armature ima za posledicu smanjenje njene količine i, eventualno, nedovoljnost za prijem uticaja, s jedne strane, dok sa druge izaziva koroziju zaštitnog sloja betona (cepanje, krunjenje), te progresivno i dalja oštećenja.

Sl. 9/18. Izloženost vodi/vlazi

Sl. 9/19. Efekti prslina

Načelno, za površinske i linijske elemente rezervoara preporučuje se primena nešto većih debljina (npr. 4cm) zaštitnih slojeva betona od minimalnih propisanih. Ovakvu preporuka je validna i, generalno, za sve ukopane AB elemente/konstrukcije. Razlozi za ovo su u agresivnosti vlage i vode iz tla ili uskladištene tečnosti, potreba postizanja boljeg stanja/rasporeda prslina, smanjena mogućnost praćenja nastanka i razvoja prslina... Prema propisima Velike Britanije, npr., gde su uslovi izloženosti (Okvir 15) klasifikovani na slabe, umerene, ozbiljne, vrlo ozbiljne i ekstremne (klasifikacija analogna domaćoj klasifikaciji agresivnosti sredine), dfinisano je da se sve konstrukcije koje služe skladištenju tečnosti moraju biti proračunate na, minimalno, „ozbiljne“ izloženosti. Treba napomenuti da su, ovim propisima, dopuštene širine prslina postavljene u nešto blažoj formi od onih u domaćim propisima.

410

9. Rezervoari i vodotornjevi

U pojedinim situacijama (mogu biti diktirane estetskim zahtevima, ail i opasnošću samih tečnosti po okolinu) kao proračunski zahtev se može postaviti i potpuno odsustvo prslina. U praksi ovo ne znači da prslina uopšte neće biti. Okvir 15

Klasifikacija izloženosti prema BS 8007

9.3.3. PRINCIPI PROJEKTOVANJA PROJEKTOVANJA Oblik i konfiguracija rezervoara, dimenzije elemenata, ugrađena armatura, kvalitet materijala... i svi ostali rezultati projekta moraju slediti iz detaljnih analiza sprovedenih sagledavanjem realnih uslova eksploatacije. Neophodno je konstrukcijsko rešenje razmatrati sa aspekta nosivosti, upotrebljivosti, jednostavnosti izvođenja i cene koštanja. Ovi faktori, često, mogu biti u svojim posledicama suprotstavljeni jedni drugima. Optimalna rešenja se odlikuju jednostavnošću koncepta i detalja. Načelno, prenos opterećenja do temelja posredstvom minimalnog broja elemenata je uvek dobar. Kod ove vrste konstrukcija, od većeg je značaja nego kod drugih, poželjno je izbeći sva mesta skokovite promene preseka, budući da su ona, zbog koncentracije naprezanja, sklona razvoju prslina. Uopšteno, oblikovanjem i konstruktivnim merama, potrebno je preduprediti pojavu značajnih koncentracija naprezanja, ma čime bila izazvana (prodori, nastavljanje i sidrenje armature, oštri uglovi, krupni armaturni profili, koncentrisana dejstva...). Od posebnog značaja je, takođe, razmatrati metode izvođenja i nege betona i precizno definisati položaje i način izvođenja mesta nastavaka betoniranja i zglobova.

Sl. 9/20. Prsline kao posledica horizontalnog oslanjanja trenjem

411

Brujić - Betonske konstrukcije – radna verzija - 28. novembar 2013

U kontaktnoj površi realizuju se opiruće sile trenja, što može biti uzrok pojavi prslina (Sl. 9/20). Budući da deluju nepovoljno, mere u cilju smanjenja koeficijenta trenja može biti opravdano preduzeti, na primer, polaganjem polietena ili nekog sličnog materijala na spoju, preko sloja betona (koji, u cilju redukcije sila trenja, mora biti izveden sa glatkom gornjom površinom). Preporučuje se, dodatno, primena betona ovog sloja koji karakteristikama odgovara betonu konstrukcije. Betoniranje elemenata se obavlja u kontinualnim sekcijama, čime svaka sekcija ima jedan slobodan kraj (Sl. 9/21a). Ovim je omogućeno nesmetano skupljanje, za razliku od betoniranja „na preskok“ (Sl. 9/21b), kada se, usled skupljanja, mogu pojaviti značajni naponi zatezanja prilikom očvršćavanja betona, a, samim tim, i neželjene prsline.

Sl. 9/21. Betoniranje u kontinualnim sekcijama upoređeno s betoniranjem „na preskok“

Alternativno, mogu biti ostavljeni uski neizbetonirani delovi („šlicevi“), koji se naknadno zapunjavaju, po (nesprečenom) očvršćavanju okolnog betona, a time se kompenzuju deformacije usled skupljanja. Maksimalno rastojanje između nastavaka zavisi od mnogih faktora (između ostalih od količine armature u elementu), ali su, obično, dužine preko 15m ekonomski neopravdane (obično su znatno manje). Zidovi se „izjedna“ mogu betonirati do visina koje ne prelaze (oko) 6m. Prilikom dimenzionisanja i usvajanja čelika za armiranje, uz zadovoljenje uobičajenih odredbi, neophodno je obezbediti i armaturu za prijem napona zatezanja od skupljanja. Njeno lociranje uz spoljašnje ivice betona je maksimalnog učinka. Pravilnim armiranjem (vrsta, broj, profil) može se postići dobra kontrola/raspored prslina (Sl. 9/22). Veća količina armature (manji naponi u armaturi), tanji profili i manji razmaci između šipki su „pravila“ kojima se treba voditi.

Sl. 9/22. Manjak (ili krupni profili) armature ima za posledicu manji broj širokih prslina

9.3.4. MATERIJALI I BETONSKA BETONSKA MEŠAVINA Sa stanovišta primenjenog čelika za armiranje, i ne samo kod rezervoara, rebrasta armatura je u prednosti u odnosu na glatki čelik. Razlika u ceni koštanja dva čelika je zanemarljiva, a benefiti su očigledni: veća nosivost, bolje prijanjanje. Posebno pogodne za primenu, zbog velikih neprekinutih površina, su armaturne mreže.

412

9. Rezervoari i vodotornjevi

Armatura ugrađena u beton je zaštićena od korozije izazvane alkalnošću cementa. Međutim, vremenom beton reaguje sa karbon-dioksidom iz vazduha i formiraju se karbonati, koji progresivno slabe zaštitu. Minimalnim debljinama zaštitnog sloja betona jeste obezbeđena armatura za normalne uslove. Međutim, u izuzetno agresivnim situacijama opravdano je razmotriti mogućnost ugradnje specijalnih vrsta armatura, kakve su na primer: galvanizovane šipke ili šipke obložene materijalom na bazi epoksija (duplo skuplje) ili šipke od nerđajućeg čelika (i do deset puta skuplje). Upotreba ovakve armature može biti opravdana i kod vrlo tankih elemenata, kada nije moguće obezbediti dovoljnu debljinu zaštitnog sloja betona. Kod rezervoara se uobičajeno koristi normalni portland cement. Iako upotreba brzoočvršćavajućeg cementa nije za preporuku, zbog izraženijih prslina usled skupljanja, kod betoniranja na niskim temperaturama njegova primena može biti opravdana. Ukoliko je utvrđeno prisustvo sulfata ili sličnih hemijskih kontaminenata, u podzemnoj vodi, primena sulfatno-otpornog cementa je od esencijalnog značaja. Količinu cementa u betonskoj smeši treba odrediti tako da se, s jedne strane, obezbedi trajnost i funkcionalnost, a sa druge da se izbegnu visoke temperature u sveže izlivenom betonu. Uobičajeno, beton za rezervoarske konstrukcije se spravlja sa 325 do 400kg/m3 cementa, uz više vodocementne faktore, ali ne preko 0.55. Primenjeni agregat mora biti veoma niskih dilatacija skupljanja usled sušenja i niskog nivoa apsorpcije vode. Kvarcni pesak, načelno, je zadovoljavajućih karakteristika za primenu kod betona ove vrste konstrukcija. Maksimalna veličina zrna agregata je funkcija debljine betoniranog elementa. Kada debljina to dozvoljava, primena krupnijih frakcija ima povoljno dejstvo na smanjenje dilatacija skupljanja.

Dodaci kojima se poboljšava ugradljivost ili nosivost su, saglasno potrebama, poželjni, pod uslovom da ne sadrže hloride koji izazivaju koroziju čelika. Betonska mešavina mora biti projektovana na način koji obezbeđuje dobru ugradljivost raspoloživim sredstvima. Preporučuje se primena pervibratora za unutrašnje vibriranje betona. 9.3.5. DEJSTVA DEJSTVA I USLOVI TLA Elementi rezervoara su izloženi dejstvu pritiska uskladištene tečnosti. Zapreminska težina tečnosti je, ovde, primarni podatak. Tako je zapreminska težina vode 10kN/m3, kanalizacione vode – oko 11 kN/m3, mulja – 10.5 do 12.0 kN/m3. Projektant je u obavezi da razmatra najnepovoljnije kombinacije dejstava i kad je reč samo o opterećenju tečnosšću (na primer u višekomornim rezervoarima). Pregrade moraju biti analizirane za najnepovoljnije kombinacije dejstava koje čine i jednu i drugu njegovu stranu zategnutom. Spoljašnji zidovi rezervoara obično primaju opterećenje od bočnih pritisaka tla (#16.2). Uslovi opterećenja koje je neophodno razmatrati su prikazani skicom (Sl. 9/23, Sl. 9/24): kada je rezervoar prazan, najnepovoljnija situacija (kombinacija) podrazumeva maksimizaciju dejstva tla i opterećenja koje se tlom prenosi na zidove (pritisak tla – aktivni ili u stanju mirovanja, i moguća površinska opterećenja, na primer od vozila). Sa druge strane, kod analize punog rezervoara, od interesa je (najnepovoljnija je) situacija kada se rezervoar smatra nezatrpanim (treba napomenuti da ova proračunska situacija nije usvojena samo za slučaj

413

Brujić - Betonske konstrukcije – radna verzija - 28. novembar 2013

testiranja vodonepropusnosti kod nezatrpanog rezervoara, nego i zbog realne mogućnosti značajnog umanjenja reakcije postojećeg tla u pojedinim situacijama). Naravno, osim ovih, konstrukcije rezervoara moraju biti razmatrane na najnepovoljnije uticaje kombinacija koje uključuju i sva relevantna stalna opterećenja, povremena dejstva (korisna, sneg, vetar...), temperaturna ili seizmička dejstva. Kod rezervoara u kojima se skladište zapaljive tečnosti ili gasovi neophodna je i kontrola konstrukcije na dejstvo merodavne incidentne kombinacije opterećenja.

Sl. 9/23. Pun i nezatrpan rezervoar

Sl. 9/24. Prazan i zatrpan rezervoar

Poželjno je konstrukcije rezervoara temeljiti na uniformnoj podlozi dobre nosivosti, čime bi se minimizirala diferencijalna sleganja. Međutim, ovo nije uvek (retko je) slučaj. Neophodno je razmatrati promene u sastavu tla i korektno proceniti nivo diferencijalnih sleganja. U pojedinim situacijama, zglobovima ili dilatacijama je neophodno odvojiti delove konstrukcije, kako bi se omogućilo „prilagođavanje“ konstrukcije realizovanim diferencijalnim sleganjima uz očuvanje vodonepropusnosti. Veoma meka tla, zbog velikih sleganja, zahtevaju izbor dubokog fundiranja (šipovi). Deformacije temeljne konstrukcije mogu biti i posledica deformisanja drugih elemenata (Sl. 9/25).

Sl. 9/25. Rotacija temelja izazvana deformacijom zida

414

9. Rezervoari i vodotornjevi Okvir 16

Primer - uzgon

Prazan potopljen rezervoar dovoljne zapremine može biti izložen dejstvu uzgona koje izaziva njegovo kretanje/pomeranje na gore. Ukoliko postoji opasnost od uzgona, obično tokom gradnje, neophodno je predvideti mere kojima će ovo biti sprečeno.

Sl. 9/26. Mogućnosti prevencije uzgona

U tom cilju donja ploča može biti izvedena veće debljine nego što je to neophodno zarad prijema uticaja, kako bi se obezbedila dodatna težina koja se suprotstavlja uzgonu. Drugi način je konzolno proširenje temeljne ploče (izvođenjem „štikle“). Prepušteni delovi ploče su, 415

Brujić - Betonske konstrukcije – radna verzija - 28. novembar 2013

sada, izloženi dejstvu težine tla iznad prepusta, čime je angažovana veća težina u suprotstavljanju uzgonu. Kada je uzgon relevantan samo u toku gradnje, mera prevencije može biti orijentisana u pravcu sniženja nivoa podzemne vode (crpljenje, na primer). Projektom je potrebno obezbediti koeficijent sigurnosti od uzgona od minimalno 1.10 (neke preporuke idu i do 1.25). Dat je primer proračuna potrebnih dimenzija temeljne stope usled dejstva uzgona (Okvir 16). 9.3.6. ARMIRANOBETONSKI REZERVOARI REZERVOARI Za razliku od uobičajenih armiranobetonskih konstrukcija, gde su graničnim stanjima nosivosti postavljeni strožiji zahtevi pred dimenzionisanje, kod rezervoara uslovi eksploatacije u većoj meri opredeljuju proračun. Načelno, postupak proračuna je u izvesnoj meri invertovan i podrazumeva: usvajanje (pretpostavljanje) dimenzija elemenata, određivanje potrebnih količina armature u cilju kontrolisanja širine prslina u propisanim granicama, te kontrolu graničnog stanja nosivosti. Kontrola širine prslina je uslovljena poznavanjem količina i rasporeda armatura, što u ovom slučaju nije obezbeđeno, pa proračun mora proći kroz nekoliko iteracija, što je očigledna mana ovakvog pristupa (redosleda proračuna). Debljina zidova rezervoara treba da bude izabrana (pretpostavljena) kao optimalna imajući na umu sledeće aspekte: jednostavnost izvođenja, konstrukcijsku dispoziciju, dopuštene ugibe, odgovarajuću nosivost i, naravno, širinu prslina. Prevelike debljine zidova mogu rezultirati višim vrednostima termičkih uticaja prilikom očvršćavanja betona (rezultat – prsline). Iskustveno je utvrđeno da su optimalne debljine zida reda veličine desetine raspona za konzolne zidove, a nešto manje debljine (na primer dvanaestina raspona) u situacijama kad je zid oslonjen na oba svoja kraja. Usvojene suviše male debljine zida mogu biti povezane sa problemom dobre ugradnje betona, a dobra ugradnja betona je već postavljena kao primarni zahtev u izvođenju rezervoara. Za zidove visine manje od 2m se ne preporučuje usvajanje debljine manje od 20cm, dok su za visine do 8m, tabelom na Sl. 9/27, date preporuke debljine konzolnog zida (odgovaraju približno predloženoj desetini aspona).

Sl. 9/27. Preporučene minimalne debljine konzolnog zida rezervoara

Sl. 9/28. Vertikalni presek zida promenljive debljine

416

9. Rezervoari i vodotornjevi

Zid se može projektovati tako da se sužava ka vrhu (Sl. 9/28), u cilju uštede u materijalu. Tada, linearna promena debljine duž cele visine ima prednost nad ostalim rešenjima. Pri tome, unutrašnja ivica ostaje vertikalna.

Sl. 9/29. Konzolni zid izložen dejstvu pritiska tečnosti

Bočni pritisak na zidove se prima kombinacijom savijanja i smicanja. Najjednostavniji slučaj je konzolni zid sa maksimalnim smicanjem i savijanjem u korenu. Treba imati na umu da je ovaj zid sastavni deo ili kružnog rezervoara, kada je reč o cilindričnoj ljuski, ili pravougaonog rezervoara, zbog čega je pridržan na krajevima poprečnim zidovima i, načelno, radi kao ploča oslonjena na tri (ili četiri) ivice. Samo u situacijama male visine i velike dužine zida je opravdano razmatrati statički sistem gredne konzole sa slike (Sl. 9/28). Kako u površinskim elementima nije pogodno postavljati posebnu armaturu za prijem smicanja (prepreka je dobroj ugradnji betona i neefikasna je u utrošku čelika), to debljinom zida valja obezbediti prijem graničnih smičućih naprezanja samim betonskim presekom. U nekim slučajevima ovo može opredeliti debljinu zida. Horizontalni ugib zida, tj. njegovo ograničenje (obično na veličinu manju od 30mm), kao kriterijum kojim je određena debljina (krutost) zida je, očigledno, interesantan kod konzolnih zidova. Nije verovatno da bi ovaj uslov mogao biti „kritičan“ kod zidova pridržanih (oslonjenih) na oba kraja. Po pitanju ograničenja ugiba, validne su odredbe kojima se ograničava maksimalno horizontalno pomeranje konstrukcija (H/250, H – raspon zida). Kod kontrole ugiba, od interesa može biti i njegov deo koji je posledica rotacije celine (Sl. 9/30), a usled sleganja tla (rotacije temelja). Sada je ukupan ugib jednak zbiru ugiba usled rotacije i onog koji je posledica deformacije samog zida, lokalno.

Sl. 9/30. Uticaj sleganja tla na rotaciju zida rezervoara

417

Brujić - Betonske konstrukcije – radna verzija - 28. novembar 2013

U armiranobetonskoj ploči poprečno opterećenoj (savijanoj), sa porastom opterećenja nastaju i razvijaju se prsline. prsline Sa razvojem prslina, povećanjem njihove širine, ali i ugiba ploče, raste i napon u armaturnim šipkama (Sl. 9/31). Za isti betonski presek i opterećenje, veća količina armature će imati za posledicu manje radne napone u čeliku i manju širinu prslina. Ovim se, ograničavanjem radnih (eksploatacionih) naprezanja u armaturi može uticati na kontrolu širine prslina (limiting stress design [15]). Ovaj pristup bazira na ograničenju napona u zategnutoj armaturi u eksploatacionim uslovima. Tabelom na Sl. 9/32 su date preporuke, u tom smislu, britanskih standarda (BS8007), u funkciji vrste armature i dozvoljene širine prslina (limiting stress design). Drugim preporukama, maksimalni eksploatacioni napon u zategnutoj armaturi treba ograničiti na vrednost svakako manju od 250 MPa.

Sl. 9/31. Prsline kao posledica savijanja

Prilikom kontrole širine prslina, pojedini preseci će biti dominantno aksijalno opterećeni (horizontalne sile u zidovima kružnih rezervoara ili u pojedinim zonama zidova pravougaonih rezervoara), drugi dominantno savijani, a, u opštem slučaju izloženi simultanim uticajima aksijalnih sila i momenata savijanja.

Sl. 9/32. Dopušteni naponi u zategnutoj armaturi za eksploatacione uslove

9.3.6.2. Proračun rezervoara Zidovi cilindričnih rezervoara su ljuske nulte Gauss-ove krivine. Mogu biti opterećene pritiskom tečnosti iznutra ili pritiskom tla spolja. U oba slučaja opterećenje je rotacionosimetrično.

Sl. 9/33. Opterećenje kružnog rezervoara pritiscima tečnosti ili tla 418

9. Rezervoari i vodotornjevi

U slučajevima kada je cilindrični zid spojen sa temeljem (ili donjom pločom) na način da je omogućena njegova slobodna deformacija (Sl. 9/34), u zidu se realizuju samo membranske sile, saglasno membranskoj teoriji tankih ljuski.

Sl. 9/34. Spoj zida i temelja koji omogućava slobodnu deformaciju cilindrične ljuske

Statički uticaji, kada su membranski uslovi oslanjanja zadovoljeni mogu se odrediti primenom tablica, za različite vrste rotaciono-simetričnih opterećenja (Sl. 9/35). Tangencijalne aksijalne sile se, tada, određuju saglasno kotlovskoj formuli.

Sl. 9/35. Tabulisane formule za određivanje membranskih uticaja u cilindričnoj ljusci

U realnim konstrukcijama rezervoara, češći je slučaj sprečene, ili delimično sprečene, deformacije dna rezervoara, u smislu horizontalnog pomeranja i/ili rotacije (Sl. 9/36). Tada se, realizuju fleksioni uticaji u cilindričnoj ljuski (momenti savijanja i transverzalne sile). Po svom karakteru, fleksioni uticaji (zovu se i ivični poremećaji) se brzo prigušuju (njihov intenzitet brzo opada udaljavanjem od kraja ljuske). Ukoliko je ljuska dovoljne dužine da se može smatrati da se poremećajni uticaji sa jednog kraja potpuno priguše pre dosezanja suprotnog kraja, ljusku smatramo dugom ljuskom, a proračun je oslobođen međuzavisnosti poremećajnih uticaja sa dva kraja ljuske. Tablice za određivanje fleksionih uticaja u dugim ljuskama su prikazane na Sl. 9/37.

419

Brujić - Betonske konstrukcije – radna verzija - 28. novembar 2013

Sl. 9/36. Konturni uslovi na dnu cilindra i dijagrami uticaja u vertikalnom pravcu

Sl. 9/37. Tabulisane formule za određivanje fleksionih uticaja u cilindričnoj ljusci

Dakle, u opštem slučaju, cilindrična ljuska rezervoara je izložena istovremeno i fleksionim i membranskim uticajima. Njihov proračun, osim primenom softvera za strukturalnu analizu, u slučaju zadovoljenja rotacione simetrije i po pitanju opterećenja, može biti sproveden dekomponovanjem problema na membranski i fleksioni deo, uvođenjem statički nepoznatih horizontalnih sila i momenata savijanja na mestu veze cilindra sa ostalim elementima konstrukcije, kako je to, na primer, prikazano na Sl. 9/38.

Sl. 9/38. Osnovi sistem konstrukcije rezervoara i statički nepoznate

Sl. 9/39. Dekompozicija problema na mestu skokovite promene debljine zida

420

9. Rezervoari i vodotornjevi

Sl. 9/40. Promena momenta u horizontalnom pravcu u zidu pravougaonog rezervoara

Za pravougaone rezervoare, ali i za sve kružne rezervoare u situacijama kada je narušena, iz nekog razloga, rotaciona simetrija, podrazumevani način proračuna uticaja je primenom softvera za strukturalnu analizu. Za primer, prikazani su momenti savijanja u horizontalnom pravcu zida pravougaonog jednokomornog rezervoara (Sl. 9/40). 9.3.6.3. Armiranje Kod projektovanja detalja armiranja elemenata rezervoarskih konstrukcija, od posebne je važnosti obezbediti dobru prionljivost čelik-beton, te obezbediti dobro sidrenje armaturnih šipki. Odredbe Pravilnika, kad je o dužinama sidrenja i nastavljanja reč, su, naravno, obavezujuće i u ovom slučaju. Međutim, prilikom određivanja dužina preklopa zategnute armature valja biti „galantan“, produžavajući je iznad minimalno zahtevanih vrednosti. Na ovaj način se postiže dodatna sigurnost od pojave prslina u zonama na krajevima nastavka armature. Takođe, neophodno je, projektom i izvođenjem, obezbediti dobro sidrenje i nastavljanje i armature konstruktivnog karaktera ili armature koja ima ulogu prijema napona zatezanja usled skupljanja.

Sl. 9/41. Kružni rezervoari - detalji spoja zida i temeljne ploče i armiraje zida

Detalji armature se projektuju saglasno svim pravilima koja su propisana i za ostale konstrukcije. Minimizacija broja mesta nastavljanja armature i izbegavanje nagle promene njene količine su ovde od većeg značaja, kao i smicanja mesta nastavljanja armature. Zbog relativ421

Brujić - Betonske konstrukcije – radna verzija - 28. novembar 2013

no velikih punih pločastih površina, kod rezervoara se često primenjuju zavarene armaturne mreže, kada potrebne količine armature nisu velike u meri u kojoj je primena armaturnih mreža limitirana njihovom jediničnom površinom preseka.

Sl. 9/42. Postepeno nastavljanje armature zida

Zidovi cilindričnih rezervoara se armiraju vertikalnom armaturom proisteklom iz graničnih uticaja momenta savijanja i aksijalne sile, i horizontalnom, prstenastom, armaturom jednostrano ili, češće, dvostrano. Neki karakteristični detalji armiranja elemenata kružnih rezervoara su dati na Sl. 9/41. Pravilo „postepenog“ nastavljanja armature (Sl. 9/42), u cilju izbegavanja koncentracija naprezanja (mesta potencijalnih oštećenja), je ovde od velikog značaja.

Sl. 9/43. Armiratura u vertikalnom preseku i shematski izvod armature

Sl. 9/44. Detalj spoja zida i temeljne ploče

Armiranje pravougaonih rezervoara je sa nekoliko karakterističnih detalja dato na narednim slikama. Detalji armiranja su standardni za zidne savijane elemente i armiranobetonske ploče, te za obezbeđenje krute veze na njihovim spojevima (vute). Neki karakteristični detalji su prikazani na narednim slikama (Sl. 9/43, Sl. 9/44, Sl. 9/45).

422

9. Rezervoari i vodotornjevi

Sl. 9/45. Armatura na spoju dva zida prikazana u horizontalnom preseku

Crtežima detalja armature mora biti predviđen i način distanciranja armature, te položaj i specifikacija samih distancera, u cilju obezbeđenja projektovane debljine zaštitnih slojeva (Sl. 9/46).

Sl. 9/46. Detalj distanciranja armature

9.3.7. PREDNAPREGNUTI REZERVOARI REZERVOARI S obzirom na izuzetan značaj kontrole širine prslina i obezbeđenja vodonepropusnosti, kod rezervoarskih konstrukcija je česta primena prethodnog naprezanja, najčešće naknadnim utezanjem kablova. Osim toga (od manjeg značaja), ove konstrukcije se mogu projektovati i kao montažne, kada se mogu koristiti prednapregnuti prefabrikovani elementi. Cilindrični rezervoari su, zahvaljujući obliku, posebno pogodni za primenu prednaprezanja.

Sl. 9/47. Prednaprezanje zida kružnog rezervoara i sidrenje kablova u vertikalnim zadebljanjima

Zavisno od načina oslanjanja dna rezervoara (Sl. 9/36), promena sile prednaprezanja po visini se razlikuje. Na narednoj slici (Sl. 9/47a) prikazan je slučaj prednaprezanja cilindričnog 423

Brujić - Betonske konstrukcije – radna verzija - 28. novembar 2013

zida nesprečenog154 horizontalnog pomeranja na dnu, kada su maksimalne aksijalne (kotlovske) sile karakteristika nanjže zone cilindra. Drugim načinima veze zida s temeljem će odgovarati i drugačija distribucija kablova po visini. Zbog velikih gubitaka sile prednaprezanja usled trenja koji bi se realizovali kod kablova velike dužine kojim bi se obuhvatio ceo obim rezervoara, jedan kabl pokriva samo deo obima (polovinu, trećinu..., zavisno od prečnika cilindra). Kako bi se izbegli značajniji efekti rotacione nesimetrije, kablovi se sidre smaknuto, na primer kao na Sl. 9/48. Uobičajeno je da se, ovim načinom, kablovi vode kanalima ostavljenim u jezgru zida.

Sl. 9/48. Tipična dispozicija kablova za prednaprezanje – „neparni“ i „parni“ redovi

Sl. 9/49. Pripremljena oplata i ugradni elementi kalupa prefabrikovanog rebra (kontrafora)

Osim klasičnog utezanja, kablovi se mogu postaviti pomoću uređaja za obavijanje, kada se eliminiše veliki pad sile usled trenja, i kada kablovi mogu neprekinuti, po spoljašnjoj strani jezgra zida, biti u neograničenoj dužini. Obavijaju se sa spoljašnje strane pripremljene površi (peskirana), a po postavljanju se oblažu betonskim torkret slojem (Sl. 9/50).

Sl. 9/50. Obavijanje kablovima i torkretiranje

154

Sile trenja, naravno, nije moguće izbeći.

424

9. Rezervoari i vodotornjevi

9.3.8. PREKIDI BETONIRANJA I DILATACIJE Projektovanje armiranobetonskih rezervoara nalaže precizno definisanje položaja, broja i tretmana mesta prekida prekida betoniranja. betoniranja Temperaturne deformacije, kao i efekti skupljanja betona su bitno određeni brojem prekida i njihovim razmakom. Sa druge strane, prekidi/nastavci betoniranja nisu mesta koja treba da omoguće relativno pomeranje delova konstrukcije s jedne i druge strane prekida. Kod horizontalnog prekida (Sl. 9/51a), na spoju ploče i zida, poželjno je prekid izmestiti visinski za 10 do 15cm izvođenjem „sokle“. Na ovaj način se obezbeđuju „vođice“ za oplatu zida i mogućnost ugradnje vodonepropusnih traka, a nastavak betoniranja izmešta iz samog spoja dva elementa. Vertikalni prekid se obezbeđuje oplatom (Sl. 9/51b), a nije preporučljivo izvođenje žljebova (pero-žljeb) budući da je neizvesno njihovo puno zapunjavanje novim betonom, te zbog iskustava koja ukazuju na to da su ovakvi žljebovi inicijatori prslina.

Sl. 9/51. Horizontalni i vertikalni prekid betoniranja

Sl. 9/52. Vodonepropusni čep na mestu prekida/nastavka betoniranja

„Stariji“ beton, na mestu nastavka betoniranja, je neophodno pravilno pripremiti, pre izlivanja novog betona. Ovo podrazumeva čišćenje očvrslog betona (starog ne manje od pet dana) od prašine i labavih delova (zrna agregata) i, eventualno, upotrebu hemijskih sredstava za vezu stari-novi beton. Armaura koja prolazi kroz nastavak betoniranja, sama, mora biti dovoljna za prijem smičućih sila, pa se iz ovog uslova i određuje (ili se kontroliše dovoljnost). Pravilno projektovan i izveden nastavak će obezbediti vodonepropusnost, ali, i pored toga, može se predvideti izvođenje vodonepropusnog čepa (Sl. 9/52). U novije vreme, šta više, praktikuje se i ugradnja vodonepropusnih traka (samo kao dodatna mera sigurnosti, a ne i kao zamena za druge mere).

Sl. 9/53. Spoj krovne ploče i zida i spoj zida i donje ploče 425

Brujić - Betonske konstrukcije – radna verzija - 28. novembar 2013

Dilatacijama i zglobovima se obezbeđuju prekidi u kontinuitetu betonskog elementa (konstrukcije), kako bi se omogućilo relativno pomeranje jednog dela u odnosu na drugi. Zglobovi kojima je omogućeno relativno pomeranje dva dela elementa mogu biti kontrakcioni i ekspazivni, zavisno da li je njima omogućeno relativno razmicanje ili primicanje (respektivno) dva dela elementa (Sl. 9/54, Error! Reference source not found.).

Sl. 9/54. Konrakcioni potpuni (levo: zid i ploča) i parcijalni zglobovi (desno: zid i ploča)

Kontrakcioni (dopuštaju kontrakciju susednih delova) mogu biti potpuni (kakvi su prikazani), kada je armatura u zglobu potpuno prekinuta (Sl. 9/54a), ili deo armature može da prolazi kroz njega (obično oko 50%) - Sl. 9/54b. U oba slučaja podrazumeva se da postoji betonski diskontinuitet. Alternativno, kontrakcioni zglob može biti izveden i poput nastavka betoniranja uvođenjem slabljenja preseka zasecima (Sl. 9/55) na tom mestu, čime je indukovano formiranje prsline baš u tom preseku. Umesto zaseka, kod zidova se preporučuje centrična ugradnja gumene vertikalne cevi sa istom funkcijom.

Sl. 9/55. Kontrakcioni zglob – indukovana prslina

Ekspanzivni (dopuštaju ekspanziju susednih delova) zglobovi se formiraju korišćenjem pritisnutog deformabilnog sloja između betonskih lica zgloba. Ovaj sloj se izvodi od materijala koji se odlikuje trajnošću u uslovima promenljive vlažnosti, netoksičnošću, a koji se odlikuje deformabilnošću i elastičnošću. Sam ovaj sloj, načelno, nije u funkciji vodonepropusne barijere, nego se primena vodonepropusnih čepova i vodonepropusnih traka podrazumeva. Načelno, ekpanzionim zglobovima nije moguće obezbediti prenos smicanja ili zatezanja. U situacijama kada je na ovom mestu, ipak, potrebno preneti smicanje, može se kroz zglob propustiti čelični trn sa aksijalno slobodnim hodom (9.4). 426

9. Rezervoari i vodotornjevi

Sl. 9/56. Ekspanzioni zglob (zid i ploča)

Sl. 9/57. Trn za prijem smicanja

9.4. TESTIRANJE REZERVOARA REZERVOARA Uprkos svim preduzetim merama u procesu projektovanja i izvođenja, različiti nepredviđeni uzroci mogu učiniti rezervoarsku konstrukcijom vodopropusnom, u manjoj ili većoj meri. Zato je neophodno testirati konstrukciju nakon završetka gradnje. Način testiranja je uslovljen položajem elementa i mogućnošću pristupa. Tako, zidovi nadzemnih rezervoara mogu biti provereni na propuštanje vode sa spoljašnje strane (kao i zidovi ukopanih rezervoara pre zatrpavanja, ukoliko postoji dovoljno radnog prostora oko rezervoara). Sa druge strane, temeljne ili podne ploče. očigledno, ne mogu, pa je potrebno primeniti druge metode. Kod rezervoara je praktično nemoguće postići potpunu vodonepropusnost. Osim što jedan deo tečnosti ispari, postoji i deo tečnosti koji sporom difuzijom prolazi kroz beton, putevima mikro-prslina. Vremenom (mereno danima), istina samo kod prslina malih otvora (npr. do 0.1mm), kako prolazak vode taloži kalcijum, može doći i do zatvaranja ovih prolaza i prekida penetracije i prolaza tečnosti (autosaniranje). U tom slučaju, poduž prsline, na površini betona, ostaju bele linije kalcijuma. Kod ukopanih rezervoara ovo se može tolerisati, ali je potreba za intervencijom predmet koji mora biti precizno definisan projektnim zadatkom. Nakon završetka, kada je konstrukcija postigla projektovane čvrstoće i nosivosti, te nakon što su svi prodori pravilno vodonepropusno zapunjeni, konstrukcija se može testirati na način da se polako ispuni vodom i da se prati njen nivo. Postepenim punjenjem do eksploatacionog nivoa izbegavaju se nagle naponske promene koje mogu dovesti do pojave prslina (pojedina uputstva definišu brzinu punjenja kao ne veću od 1m dnevno). Nakon ispunjavanja, neophodno je sačekati da beton postane potpuno zasićen vodom. Ovaj, stabilizacioni, period traje između nedelju i mesec dana, zavisno od projektnih zahteva koji se odnose na dopuštenu širinu otvora prsline (veća širina – duži period stabilizacije). Nivo vode se zatim prati u periodu od narednih sedam dana. Potrebno je obezbediti precizna sredstva za utvrđivanje nivoa vode na nekoliko mesta. Gubitak vode usled isparavanja je moguće utvrditi upoređivanjem s kontrolnim uzorcima koji su istim uslovima kao i skladištena tečnost.

427

Brujić - Betonske konstrukcije – radna verzija - 28. novembar 2013

Rezultat je zbirni neto gubitak tečnosti usled propuštanja vode i njene dodatne apsorcije betonskim elementima. Dopušteni, prihvatljivi, gubitak je definisan uslovima (zadatkom) projekta. Uobičajeno se kreće u granicama između 1 i 2 promila. Ukoliko se utvrdi veći gubitak od prihvatljivog, test može biti produžen/ponovljen u narednih sedam dana, a zadovoljavajući rezultati ponovljenog testa se smatraju prihvatljivim. Nezadovoljavajući rezultati ponovljenog testa nalažu primenu mera kojima će se utvrditi kritična mesta i preduzeti mere sanacije. Naravno, nakon ovoga rezervoar mora biti ponovo testiran. Međutim, sam prethodni test još uvek nije dovoljan da se donese zaključak o zadovoljavajućem ponašanju. Kako je rečeno, projektnim zahtevima se, osim gubitka tečnosti, definišu i ostali zahtevi koji testom moraju biti zadovoljeni. 9.5. ANALIZA SEIZMIČKOG DEJSTVA DEJSTVA ZA REZERVOARE NA/U TLU TLU Kod proračuna seizmičke stabilnosti inženjerskih objekata koji ograđuju neku sredinu ispunjenu vodom ili drugim fluidom, ili se nalaze u takvoj sredini, pored inercijalnih seizmičkih sila koje potiču od težine same konstrukcije, treba uzeti u obzir i dopunski hidrodinamički pritisak (ili zatezanje155) fluida koji se superponira sa hidrostatičkim pritiskom, kao i odgovarajući seizmički pritisak tla, kod ukopanih ili delimično ukopanih rezervoara. Proračun hidrodinamičkog seizmičkog pritiska i seizmičkog pritiska tla je, kod nas, definisan Pravilnikom o tehničkim normativima za projektovanje i proračun inženjerskih objekata u seizmičkim područjima. Osim odredbi domaćih normativa, u nastavku se daju i odgovarajuće preporuke date evropskim i američkim propisima. 9.5.1. SEIZMIČKI HIDRODINAMIČKI HIDRODINAMIČKI PRITISAK PRITISAK Veličina hidrodinamičkog pritiska vode u nekoj tački uzvodne površine objekta zavisi od visine vodenog stuba iznad posmatrane tačke, nagiba površine prema vertikali i od pravca dejstva vektora seizmičkog ubrzanja, s tim da se uzimaju u obzir dva vektora seizmičkog ubrzanja: horizontalnog i vertikalnog pravca. Pravac dejstva hidrodinamičkog opterećenja je suprotan pravcu seizmičkog ubrzanja. Prilikom vibriranja rezervoara za vodu ili neku drugu tečnost, generišu se dve vrste hidrodinamičkog dejstva na zidove i dno rezervoara: •

impulsivni pritisak, i

•

konvektivni (strujni) pritisak.

Ovakvom dekompozicijom „prepoznati“ su delovi skladištene tečnosti koji se kreću zajedno sa betonskom konstrukcijom rezervoara, kao kruto telo, jednakim ubrzanjima, i deo tečnosti koji „talasa“ menjajući visinu vodenog stuba u rezervoaru (a, koji i određuje potrebnu slobodnu visinu za realizaciju ovih talasa). 9.5.1.1. Domaći propisi Konvektivni pritisak, kao posledica talasanja slobodne površi fluida, kod krutih konstrukcija (kakve AB rezervoari, po pravilu, jesu) malog intenziteta u odnosu na impulsivni. Otud, i

155

Zapravo, umanjenje hidrostatičkog pritiska.

428

9. Rezervoari i vodotornjevi

domaćim propisima (nacrt Pravilnika [13]), se predviđa njegovo zanemarenje i daje se analiza vezana samo za impulsivni pritisak, za pravougaone i kružne rezervoare. Kod pravougaonih rezervoara, rezervoara distribucija impulsivnog pritiska/zatezanja je definisana saglasno datoj shemi na Sl. 9/59. Hidrodinamički pritisak na bočne zidove rezervoara se, u osnovnoj vrednosti, određuje u funkciji dubine – rastojanja posmatrane tačke od površine tečnosti, y:

 y 1  y 2  l  pw = K S ⋅ γ w ⋅ h ⋅ 3 ⋅  − ⋅    ⋅ tanh  3 ⋅  , ............................................................ (9.1) h   h 2  h   Ks

koeficijent seizmičkog intenziteta (Okvir 17),

γw h

zapreminska masa tečnosti, visina stuba tečnosti.

Zidovi upravni na pravac seizmičkog dejstva su izloženi konstantnoj vrednosti pritiskujućeg ili sišućeg dejstva, dok je njegova promena na zidovima paralelnim pravcu seizmičkog dejstva je određena na sledeći način:

( (

 y 1  y 2  sinh 3 ⋅ x / h pw = KS ⋅ γ w ⋅ h ⋅ 3 ⋅  − ⋅    ⋅  h 2  h   cosh 3 ⋅ l / h

) )

. ....................................................... (9.2)

Sl. 9/58. Dispozicija hidrodinamičkog pritiska u vertikalnom preseku

Hidrodinamički pritisak na dno rezervoara je određen sa:

pb = 0.5 ⋅ K S ⋅ γ w ⋅ h ⋅ 3 ⋅ tanh

(

3 ⋅l / h

)

, ............................................................................. (9.3)

a njegova promena sa x-osom (u pravcu seizmičkog dejstva) je:

pb,w = KS ⋅ γ w ⋅ h ⋅

( (

3 sinh 3 ⋅ x / h ⋅ 2 cosh 3 ⋅ l / h

) )

. ................................................................................ (9.4)

Dinamički model punog rezervoara može biti sproveden s ekvivalentnom masom/težinom156 tečnosti u rezervoaru, kruto spojenom s zidovima rezervoara (Sl. 9/59). Ekvivalentna težina,

Ge, određuje se na osnovu ukupne težine tečnosti, Gw, a njen položaj u odnosu na dno rezervoara (hb,e) na sledeći način:

156

Ekvivalentna masa određuje deo ukupne mase tečnosti koji odgovara impulsivnoj komponenti. 429

Brujić - Betonske konstrukcije – radna verzija - 28. novembar 2013

Ge = Gw ⋅

tanh

(

(

3 ⋅l / h

3 ⋅l / h

)

)

,

hb,e =

h   Gw   ⋅ 4 ⋅   − 1 . 8   Ge  

............................................................ (9.5)

U slučaju da se analizira samo horizontalna komponenta, položaj ekvivalentne sile je:

he = 3 ⋅ h / 8 . ............................................................................................................................... (9.6)

Sl. 9/59. Hidrodinamičko seizmičko dejstvo kod pravougaonih rezervoara

Kod cilindričnih rezervoara poluprečnika baze cilindra R, hidrodinamički pritisak se distribuira saglasno shemi na Sl. 9/60. Osnovna vrednost pritiska na zid rezervoara se određuje, slično kao kod pravougaonih, dok je njegova uglovna promena definisana sinusnim zakonom (tekuća koordinata je ugao u odnosu na pravac zemljotresnog dejstva):

 y 1  y 2  R  p w = K S ⋅ γ w ⋅ h ⋅ 3 ⋅  − ⋅    ⋅ tanh  3 ⋅  , pw,ϕ = pw ⋅ cos ϕ ′ . .......................... (9.7) h 2 h h      Pritisak na dno rezervoara, u funkciji ugla u odnosu na pravac seizmičkog dejstva je:

pb,w = KS ⋅ γ w ⋅ h ⋅

3 sinh ⋅ 2 cosh

( (

) ⋅ cosϕ′ 3 ⋅ R / h) 3⋅r / h

. .................................................................. (9.8)

Ekvivalentna težina, u ovom slučaju, data je sa:

Ge = Gw ⋅

430

tanh

(

(

3⋅R/ h

3⋅R/ h

)

)

, ...................................................................................................... (9.9)

9. Rezervoari i vodotornjevi

dok su položaji ekvivalentne mase definisani na isti način kao i kod pravougaonih rezervoara, izrazi (9.5) i (9.6).

Sl. 9/60. Hidrodinamičko seizmičko dejstvo kod cilindričnih rezervoara

Kod ukopanih ili delimično ukopanih pravougaonih ili cilindričnih rezervoara, koeficijent seizmičkog intenziteta Ks je, ujedno, i ukupni seizmički koeficijent. Razlog ovome je u jednakosti kretanja/ubrzanja tla, krute rezervoarske konstrukcije i, s njom spojene, mase tečnosti. Ili: kretanje nije određeno dinamičkim karakteristikama same konstrukcije. Interesantno je primetiti da će pregradni zid unutar rezervoara (između dve komore, na primer), izložen ravnotežnom hidrostatičkom pritisku, imati duplirano seizmičko opterećenje. Okvir 17

Koeficijent seizmičkog intenziteta

Prema nacrtu Pravilnika (#7.1.9.2), koef. seizmičkog intenziteta je količnik maksimalnog ubrzanja (xmax) tla na lokaciji objekta za dejstvo zemljotresa Z1 ili Z2, izraženo u delovima zemljinog ubrzanja (g) i faktora duktilnosti konstrukcije (µp):

K S = Xɺɺ max / µ p . Pri tome, pod zemljotresom Z1 se podrazumeva najjači očekivani zemljotres koji može da pogodi objekat u toku njegove eksploatacije – zemljotres koji može da se dogodi jedanput u 100 godina sa verovatnoćom pojave od 70%. Zemljotres Z2 je onaj koji može da pogodi objekat sa učestalošću jednom u 1000 godina, sa verovatnoćom od 70%. Ako za lokaciju objekta ne postoje detaljna proučavanja seizmičnosti, maksimalno ubrzanje tla se usvaja jednakim 0.10 za VII, 0.20 za VIII i 0.40 za IX stepen projektne seizmičnosti prema MCS skali. Faktor duktilnosti (µp) je određen vrstom konstrukcije i tipom zemljotresa, na sledeći način: - nadzemne AB konstrukcije: 4.0 za Z1 i 5.0 za Z2, - delimično ukopani objekti: 2.5 za Z1 i 3.0 za Z2, - podzemni objekti: 2.0 za Z1 i 2.5 za Z2.

431

Brujić - Betonske konstrukcije – radna verzija - 28. novembar 2013

9.5.1.2. Evrokod Iako nekonzervativna, pretpostavka apsolutno krute konstrukcije se podrazumeva kad su armiranobetonski rezervoari u pitanju. Međutim, za razliku od domaćih, evropskim propisima se ne zanemaruje konvektivni deo hidrodinamičkog pritiska tečnosti. Način određivanja hidrodinamičkog pritiska tečnosti je definisan u EN 1998-4, Aneks A. Kod kružnih krutih rezervoara, rezervoara prostorna distribucija impulsivnog pritiska je data izrazom:

pi ( ξ , ς , θ , t ) = C i ( ξ , ς ) ⋅ ρ ⋅ H ⋅ cos (θ ) ⋅ Ag ( t ) , ξ = r / R , ς = z / h .

............................... (9.10)

Faktor Ci je definisan preko modifikovane Bessel-ove funkcije prvog reda, I1 ( i ) , i njenog derivata I1′ ( i ) , sledećim redom (videti Okvir 18):

( −1)

∞

Ci = 2 ⋅ ∑

n = 0 I1′

n

( vn / γ )

⋅ vn2

2n + 1 H v  ⋅π , γ = ⋅ cos ( vn ⋅ ς ) ⋅ I1  n ⋅ ξ  , vn = 2 R γ 

. ...................... (9.11)

Na narednoj skici (Sl. 9/61) data je visinska i radijalna promena definisana ovim izrazom.

Sl. 9/61. Promena impulsivnog pritiska po vertikali i po horizontali, impulsivni deo mase i njen položaj

Promena intenziteta s uglom je definisana kosinusnim zakonom, baš kao na Sl. 9/60. Sa

Ag(t) označena je vremenska promena ubrzanja osnove (ekstremna vrednost ubrzanja je ag). Impulsivni deo ukupne mase tečnosti je definisan na sledeći način: ∞

mi = m ⋅ 2 ⋅ γ ⋅ ∑

I1 ( vn / γ ) . ⋅ I1′ ( vn / γ )

3 n = 0 vn

Okvir 18

............................................................................................. (9.12)

BesselBessel-ova ova i modifikovana modifikovana BesselBessel-ova funkcija

Bessel-ova funkcija reda α (integer) je sledećeg oblika:

Jα ( x ) =

1

π

π

⋅ ∫ cos (α ⋅τ − x ⋅ sinτ ) ⋅ dτ 0

Modifikovana Bessel-ova funkcija reda α je sledećeg oblika:

Iα =

1

π

π

⋅∫ e

x ⋅cos (θ )

0

⋅ cos (α ⋅ θ ) ⋅ dθ −

sin (α ⋅ π )

π

∞

⋅∫ e 0

− x ⋅cosh ( t ) −α ⋅t

⋅ dt .

Izvod modifikovane Bessel-ove funkcije prvog reda (I1) se može predstaviti kao sledeći zbir:

I1′ ( x ) =

dI1 ( x ) dx

= I0 ( x ) −

I1 ( x ) x

Prostorna distribucija konvektivnog pritiska je definisana na sledeći način:

432

9. Rezervoari i vodotornjevi ∞

pc (ξ , ς ,θ , t ) = ρ ⋅ ∑ψ n ⋅ cosh ( λn ⋅ γ ⋅ ς ) ⋅ J1 ( λn ⋅ ξ ) ⋅ cos (θ ) ⋅ Acn ( t ) ,

............................. (9.13)

n=1

ψn =

(λ

2 n

)

2⋅ R

− 1 ⋅ J1 ( λn ) ⋅ cosh ( λn ⋅ γ )

,

λ1/2/3 = 1.841/ 5.331/ 8.536 ,

................................. (9.14)

J1 je Bessel-ova funkcija prvog reda (Okvir 18), a Acn(t) je vremenska promena ubrzanja sistema s jednim stepenom slobode odgovarajućeg prigušenja i kružne frekvence jednake: ω cn =

g ⋅ λ n ⋅ tanh ( λ n ⋅ γ ) / R . ............................................................................................ (9.15)

Sl. 9/62. Konvektivni pritisak i kružna frekvencija za prva dva tona

Konvektivni deo mase odgovarajući n-tom tonu:

mcn = m ⋅

2 ⋅ tanh ( λn ⋅ γ )

γ ⋅ λn ⋅ ( λn2 − 1)

. ....................................................................................................... (9.16)

Smatra se dovoljno tačnim za praktične potrebe razmatrati samo prvi ton (n=1) u prethodnim izrazima. Očigledno je to i iz dijagrama na Sl. 9/62. Visina talasa tečnosti je dominantno određena prvim tonom i maksimalna vrednost je:

d max = 0.84 ⋅ R ⋅ Se (Tc1 ) / g 157. ............................................................................................... (9.17) Hidrodinamički pritisak usled vertikalnog ubrzanog kretanja osnove je dat s:

pvr (ς , t ) = ρ ⋅ H ⋅ (1 − ς ) ⋅ Av ( t ) .

.......................................................................................... (9.18)

Sl. 9/63. Konvektivni pritisak, prva dva tona

Kod pravougaonih krutih rezervoara impulsivna komponenta pritiska je određena:

pi ( z , t ) = q0 ( z ) ⋅ ρ ⋅ L ⋅ Ag ( t ) , ............................................................................................... (9.19)

157

Pogledati #7.1.9.3. 433

Brujić - Betonske konstrukcije – radna verzija - 28. novembar 2013

gde q0(z) daje promenu pritiska po visini i može biti sračunata kao za cilindrične rezervoare (9.10), zamenom R=L. Konvektivni pritisak, opet dominantno određen baznim tonom (Sl. 9/63):

pc1 ( z, t ) = qc1 ( z ) ⋅ ρ ⋅ L ⋅ A1 ( t )

............................................................................................... (9.20)

9.5.2. SEIZMIČKI EIZMIČKI INERCIJALNI PRITISAK PRITISAK TLA158 Kod proračuna seizmičke stabilnosti ukopanih ili delimično ukopanih inženjerskih objekata, pored seizmičkih inercijalnih sila od težine objekta, moraju biti uzeti u obzir i dopunski, aktivni, pritisci tla (Sl. 9/64, #16.2.2).

Sl. 9/64. Aktivni seizmički pritisak tla

Proračunske situacije od interesa kod ukopanih ili delimično ukopanih rezervoara se odnose na stanje kada u tlu nije nastupilo stanje granične ravnoteže, te se deformacije tla smatraju elastičnim. 9.5.3. PRORAČUNSKE SEIZMIČKE SEIZMIČKE SITUACIJE KOD UKOPANIH UKOPANIH REZERVOARA

158

Obrađeno u delu #16.2.2

434

9. Rezervoari i vodotornjevi

9.6. VODOTORNJEVI Vodotornjevi su rezervoari podignuti na visinu kojom je obezbeđeno snabdevanje vodom gravitacionim putem, hidrostatičkim pritiskom. Ova vrsta rezervoara se koristi za potrebe dopunskog snabdevanja vodom (povećanje pritiska) u situacijama povećane potrebe ili u slučajevima prekida redovnog snabdevanja (ne zahtevaju rad pumpi).

Sl. 9/65. Princip „rada“ vodotornja

Načelno, predstavljaju rezervoarsku konstrukciju podignutu na potrebnu visinu stubastom konstrukcijom (tornjem), preko koje se rezervoar oslanja na tlo. Često se nazivaju i rezer-

voarima na kulama. Iako variraju u dimenzijama i visini, rezervoarski deo obično nije visine manje od 6m, a radijusa manjeg od 2m. Visina na koju su rezervoari podignuti varira od nekoliko metara do nekoliko desetina metara.

Sl. 9/66. Čelični rezervoari na betonskim tornjevima (pijedastalni tip)

Najčešće se izvode kao betonski i čelični, a kao betonski, mogu biti armiranobetonski ili prednapregnuti. Relativno se često primenjuju i kombinacije, kada se oslonački toranj projektuje u betonu, a sam rezervoar u čeliku. Betonska konstrukcija je tada u ulozi „pijedastala“. Nekoliko takvih primera je, shematski prikazano na Sl. 9/66. 9.6.2. TORNJEVI (KULE) Tornjevi (Sl. 9/67, Sl. 9/68, Sl. 9/69, Sl. 9/70) na koje se postavljaju armiranobetonski rezervoari mogu biti u obliku armiranobetonskih cilindričnih ili konusnih ljuski ili u obliku monolitne ili montažne okvirne konstrukcije. U osnovi tornjevi imaju oblik pravilnog mnogougaonika ili kruga.

435

Brujić - Betonske konstrukcije – radna verzija - 28. novembar 2013

Sl. 9/67. Različiti oblici vodotornjeva

Sl. 9/68. Različiti oblici vodotornjeva

Sl. 9/69. Različite konstrukcije tornjeva podignutih rezervoara

Kada se toranj izvodi u obliku cilindrične ili konusne ljuske (blag nagib u odnosu na vertikalu), podrazumeva se njihovo izvođenje u kliznoj oplati (Okvir 19). Često se, efikasnosti rada radi, cilindrične ljuske izvode ojačane rebrima (Sl. 9/69a,b).

436

9. Rezervoari i vodotornjevi Okvir 19

Klizna oplata

Tehnologija građenja primenom klizne oplate je poseban vid monolitnog građenja, pogodan za visoke prizmatične objekte, poželjno (ne i nužno) manjih dimenzija u osnovi (silosi, tornjevi, dimnjaci, visoki stubovi...). Prve primene su vezane za početak XX veka, kada je korišćena u masovnoj gradnji AB silosa u Americi (od 1927. godine i u Evropi - Nemačka). Kod visokih objekata gde je klasičnim pristupom, zbog ograničenih debljina slojeva betoniranja, nemoguće obezbediti veći front rada, a troškovi skela i oplata su veliki, primena zatvorene oplate koja se „penje“ zajedno sa izbetoniranim delom objekta donosi značajne uštede i ubrzanja gradnje. Smatra se da primena klizne oplate postaje ekonomična za visine preko (orijentaciono) 15m, a, budući da troškovi oplate nisu u funkciji visine, veća visina znači i veću rentabilnost. Osim prizmatičnih, na ovaj način mogu biti izvođeni i objekti sa nagnutim površinama, poput koničnih ili piramidalnih. Oplata vertikalno „klizi“ unapred određenim (projektovanim) ritmom, oplatne table se kontinuirano podižu uvis (potiskivane hidrauličkim sistemima za podizanje) zajedno sa radnim platformama, uz istovremeno punjenje betonom konstrukcije zida.

Sistem klizne oplate formiraju: klizna oplata sa platformom, skelom i opremom za klizanje, penjalice po kojima se podiže oplata i mehanizam za podizanje. Penjalice mogu stojati u betonu i izvlačiti se zajedno s klizanjem platforme, ili, pak, mogu trajno ostati ubetonirane. Oplatne table su visine oko 100 do 150cm, proračunate na bazi brzine očvršćavanja betona (mere koje ubrzavaju očvršćavanje /aditivi, posebni cementi, zagrevanje.../ se podrazumevaju). Površina oplatnih tabli se mora odlikovati mogućnošću klizanja uz beton bez realizacije značajnijih sila trenja i adhezije. Glatke površine vodootporne šperploče ili, bolje, čelične table zaštićene od korozije su logičan izbor.

Minimalna debljina zidova koji se betoniraju u kliznoj oplati ne smeju biti manje od 15cm, a treba računati sa varijacijama debljine reda veličine 1 do 1.5cm. Trenje koje se prilikom klizanja javlja

437

Brujić - Betonske konstrukcije – radna verzija - 28. novembar 2013 između oplate i izlivenog betona može za posledicu imati horizontalne i, u uglovima, vertikalne pukotine. U cilju prevencije ovih drugih, poželjno je izbegavati oštre uglove između zidova, kako je to, principjelno, prikazano na narednoj skici. Horizontalne pukotine se predupređuju blago neparalelnim oplatnim stranicama, na način da se otvor ka dnu širi za 2-4mm. Beton se izliva u koracima/slojevima od 20-30cm, bez prekida do kraja posla (svaki prekid rada šteti kvalitetu), kako se ne bi oplata zalepila za beton. *** Za visoke objekte se danas češće koristi sličan sistem – penjajuća oplata, koja, za razliku od kontinuirane klizne, nakon betoniranja jedne sekcije demontira i prenosi (nekim eksternim sistemom za podizanje) na sledeću sekciju oslanjajući se na izbetoniranu konstrukciju. Preciznu granicu dva sistema nije lako povući, zbog različitih mogućnosti kombinovanja pojedinih aspekata.

Okvirna konstrukcija se postiže od nekoliko (4 do 16) armiranobetonskih stubova (vertikalnih ili blago nagnutih), postavljenih u temenima pravilnog mnogougla i povezanih međusobno razupinjućim prečkama (Sl. 9/69c). Međuprostori okvirne konstrukcije mogu ostati otvoreni ili se ispunjavaju zidovima od opeke, blokova ili slično, pri čemu stubovi mogu ostati vidljivi (sa ili bez „ispada“ van zida) ili se i oni oblažu fasadom (Sl. 9/70a). Umesto horizontalnih prečki, veza između stubova se može ostvariti i izradom međuspratnih tavanica, koje se međusobno spajaju stepeništima.

Sl. 9/70. Horizontalni preseci vodotornja

Toranjski deo, osim uloge oslonca rezervoara, ima i funkciju smeštaja elemenata za vertikalnu komunikaciju (stepeništa, nekad iliftovi), a kroz toranj se vode i instalacije dovodnih i odvodnih cevi. Na Sl. 9/71 nabrojana je neophodna oprema vodotornja.

Sl. 9/71. Oprema vodotornja

438

9. Rezervoari i vodotornjevi

9.6.3. TEMELJENJE Stubovi okvirne konstrukcije tornja se oslanjaju ili na svoje pojedinačne temelje, ili na prstenasti temelj po obodu (Sl. 9/70b) ili na punu ploču (Sl. 9/70c), što zavisi od kvaliteta tla, visine kule i zapremine rezervoara. Cilindrična toranjska konstrukcija se, po pravilu, oslanja na prstenastu temeljnu traku ili na kružnu punu ploču (Sl. 9/72a). Samo temeljenje može biti rešeno kao plitko ili duboko (Sl. 9/72b), shematski prikazano na slici. Često se koriste i složeni temeljni sistemi, poput onih shematski prikazanih na Sl. 9/73.

Sl. 9/72. Plitko i duboko temeljenje tornja

Oblikom i dimenzijama temeljne konstrukcije je neophodno obezbediti se od preturanja konstrukcione celine. Pri tome, od interesa može bitii obuhvatanje uticaja drugog reda, ali i rotacija celine konstrukcije usled neravnomernog sleganja.

Sl. 9/73. Mogućnosti temeljenja toranjskih konstrukcija

9.6.4. REZERVOAR Sami rezervoari se, po pravilu, izvode kružne osnove i zapremine ne manje od 200m3. Samo kod vrlo malih zapremina mogu biti projektovani i rezervoari kvadratne (ili pravougaone) osnove.

Sl. 9/74. Neki od mogućih oblika rezervoara vodotornjeva

Osim cilindričnih konstrukcija sa ravnom gornjom i donjom pločom, ove konstrukcije vrlo često predstavljaju spoj više rotaciono-simetričnih ljuskastih elemenata (Sl. 9/74). Dno rezervoara može biti zasebno, postavljeno na hidroizolacioni sloj, ili se za dno rezervoara koristi najviša tavanica kule. Dupliranje dna u prvom slučaju utiče na nešto višu cenu, ali i obezbeđuje bolje radne uslove u smislu vodonepropusnosti. Prednost dobija u uslovima lošeg tla, kada je realna opasnost od neravnomernog sleganja.

439

Brujić - Betonske konstrukcije – radna verzija - 28. novembar 2013

Sl. 9/75. Konstrukcije rezervoara sa sferičnim dnom

Dno može biti ravno, ojačano rebrima, oblika kupole ili kombinovano (na primer, Sl. 9/67). Sferna ljuska (konveksna) je najekonomičniji oblik, sa najmanjim zahtevima po pitanju utroška materijala. I kao pokrivač rezervoara, sferna ljuska predstavlja najracionalnije rešenje. Na Sl. 9/76a su prikazane različite mogućnosti oslanjanja kružnog rezervoara sa ravnim dnom (puna kružna ploča). Prvom slikom je prikazan rezervoar oslonjen na jak kružni prstenasti nosač, koji se dalje oslanja na niz po krugu raspoređenih stubova. Radijus prstena je uobičajeno manji od radijusa ploče, obezbeđujući angažovanje ploče u obe zone, te redukciju ekstremnih vrednosti momenata savijanja u njoj. Slično, umesto na prstenasti nosač, rezervoar može biti oslonjen i na cilindrični zid od opeke, kako poslednja skica pokazuje. Druga slika prikazuje rezervoar oslonjen po svom obimu, na kružni prstenasti nosač, ili na cilindrični zid od opeke. Ekstremne vrednosti momenata u ploči su, sada, nešto veće. Umesto izvođenja kružnih elemenata, oslonački linijski elementi mogu biti postavljeni u ortogonalnom poretku ili, ukoliko je broj obimnih stubova veći, mogu se izvoditi složenije roštiljne podkonstrukcije.

Sl. 9/76. Mogućnosti oslanjanja rezervoara sa ravnim dnom i njegovo armiranje

Proračun rezervoara sa ravnim dnom se karakteriše relativno velikom debljinom donje ploče i velikim utroškom čelika za njeno armiranje (karakteristična šema armiranja data je na Sl. 9/76b).

440

9. Rezervoari i vodotornjevi

U cilju smanjenja armature ploče, donja površ rezervoara može biti projektovana kao sferična, kakav je slučaj prikazan na Sl. 9/77. U tom slučaju, često se i gornja ploča projektuje u vidu sferne ljuske, a na spojevima cilindra i sfernih ljuski, u cilju prijema horizontalnih sila sa sfera i „umirenja“ poremećajnih uticaja, projektuju se kružni prstenasti nosači (A i B). Sferni konveksni oblik ljuske je čini dominantno membranski pritisnutom, zbog čega se kod ovih elemenata registruje samo minimalna potreba za armaturom (isto je i sa debljinom). Samo na krajevima se javlja potreba prijema značajnijih momenata savijanja (Sl. 9/77b). Prstenasti nosač (donji, pre svega) je u ovoj dispoziciji izložen visokim intenzitetima radijalnog opterećenja, što rezultuje velikim zatežućim silama poduž njegove ose. Otud se ovaj element javlja jako armiranim, a veći poluprečnici zahtevaju i primenu prednaprzanja.

Sl. 9/77. Rezervoar sa sferičnim dnom i gornjom ljuskom i šema njegovog armiranja

Rezervoarska konstrukcija kojom se, u cilju otklanjanja navedenih nedostataka prethodne dve dispozicije, a kod rezervoara većih radijusa, kombinuje konveksna sferna i konična ljuska za dno rezervoara je poznata i pod nazivom Intze-ova (Otto Intze, 1883) konstrukcija (Sl. 9/75b, Sl. 9/78).

Sl. 9/78. Intze-ov rezervoar

Reč je o racionalnim i često primenjivanim konstrukcijama kod kojih se prstenom B3 prima opterećenje od gornjrg dela koničnog dela, dok se prstenom B2 prima samo razlika horizon-

441

Brujić - Betonske konstrukcije – radna verzija - 28. novembar 2013

talnih sila koje „dolaze“ od donjeg dela konusa i konveksne sfere. Pogodnom geometrijom, ovu razliku je moguće praktično anulirati. Uobičajeni odnosi dimenzija Intze-ovog rezervoara su takođe prikazani na slici (nagib koničnog dela je 50 do 55º u odnosu na horizontalu, a zaprenia mu je 0.585·D3). Radi zaštite vode od nepovoljnih uticaja temperaturnih promena, rezervoar se oblaže spoljaspoljašnjim omotačem na rastojanju od 10 do 20cm, a međuprostor se ispunjava termoizolacionim materijalom (na primer, Sl. 9/68a). Bolja izolacija se postiže izradom spoljašnje konstrukcije sa zidovima udaljenim 70 do 100cm od rezervoara, kada se kao izolator koristi vazduh. Ovi zidovi mogu da budu od opeke ili armiranog betona, a najčešće se izvode u obliku ispune između armiranobetonskih stubova (Sl. 9/70d). Ovakva organizacija omogućuje i kružno obilaženje oko rezervoara u cilju monitoringa i pregleda. Bez spoljašnjeg omotača rezervoari mogu biti projektovani samo u područjima u kojima ne postoji opasnost od velikog mraza. Protiv razarajućeg dejstva površinskog leda, zidovi mogu biti izvedeni vertikalnog nagba unutrašnje površine od 1/20 do 1/15 (otvor se širi na gore). Ipak, spoljašnji omotač ima značajnu funkciju i u smislu očuvanja hemijsko-biološkog sastava tečnosti, čak i kada opasnost od smrzavanja ne postoji.

Sl. 9/79. Vodotoranj na fabričkoj zgradi

Tavanica spoljašnje konstrukcije može biti izvedena u obliku ravnog, kupolastog, šatorskog ili kupastog armiranobetonskog krova, različitih mogućnosti izbora krovnog pokrivača. Arhi-

442

9. Rezervoari i vodotornjevi

tektonska obrada vodotornjeva je od ne malog značaja, budući da vodotornjevi dominiraju okolnim prostorom, pa je povoljan vizuelni efekat čest projektantski zahtev. Osim klasičnih konstrukcija, vodoternjivi mogu biti izvedeni i na druge načine. Često se rezervoarska konstrukcija postavlja na vrh (krov) višespratne konstrukcije objekta koji opslužuje. Konstrukcija objekta, tada, mora biti odgovarajuće nosivosti i za prijem ovog opterećenja. Jedan takav primer je dat na Sl. 9/79. Toranj je sagrađen između drugih delova zgrade (osnova 17x17m), a pet spratova ove konstrukcije je iskorišćeno za fabričku proizvodnju, a u najvišoj prostoriji smeštena su dva rezervoara, jedan iznad drugog. Konstrukcija koja nosi rezervoare se sastoji od dvaju jakih okvira, koji se krstasto seku pod pravim uglom, i od dijagonalnih greda, koje prenose teret na četiri glavna stuba i na centralni. Temelji stubova su kružno oblikovani temelji samci. Donji rezervoar je tipa Intze (oko 1000m3), a gornji, znatno manji (oko 250m3) je običan cilindrični i preko 12 stubova je oslonjen direktno na ležišni prsten donjeg rezervoara.

Sl. 9/80. Cilindrična konstrukcija tornja

Na Sl. 9/80 prikazana je, primera radi, vodovodna kula čije je noseće telo valjak izveden kliznom oplatom. Ovakav način izvođenja u velikoj meri utiče na konstruktivno rešenje jer je izvođenje stabla bez prepreka moguće samo pod uslovom da se međuspratne konstrukcije izvode naknadno (problem veze). Temelj cilindričnog plašta je prstenasta traka. Najniže dve tavanice nisu vezane sa cilindričnom ljuskom tornja, nego su nezavisno oslonjene , posredstvom 6 stubova, na sopstveni prstenasti temelj. Treću tavanicu nose četiri ukrštene grede, uklještene u gnezda ostavljena prilikom kliznog uzvođenja stabla. Gornja tavanica koja nosi rezervoar je izvedena u obliku kružne ploče oslonjene na prstenasti nosač, a koji je oslonjen preko 12 kosnika (trougaonih konzola) na stablo tornja. Ovim je prstenasta greda na gornjoj strani kosnika pritisnuta, a za prijem zatezanja na donjoj strani kosnika predviđen je donji, zategnuti, čelični prsten.

443

Brujić - Betonske konstrukcije – radna verzija - 28. novembar 2013

Generalno, zbog pogodnosti kliznog izvođenja, valjkasti oblici tornjeva se često koriste. Debljina zidova obično iznosi 15-18cm i održava se konstantnom duž cele visine. Manje debljine nisu preporučljive za izvođenje kliznom oplatom. 9.6.5. PRORAČUN, DIMENZIONISANJE I ARMIRANJE VODOTORNJEVA 9.6.5.1. Dejstva Osim sopstvenom težinom konstruktivnih i nekonstruktivnih elemenata, vodotoranjska konstrukcija se analizira na dejstvo težine tečnosti u rezervoaru, težine snega, kao i na horizontalna dejstva vetra i seizmike. Kako je već pokazano kod rezervoara na/u tlu, seizmičko dejstvo predstavlja zbir inercijalnih sila koje potiču od težine konstruktivnih i nekonstruktivnih elemenata, kao i onih koje potiču od tečnosti (hidrodinamički pritisci). Kod vodotornjeva, pri proračunu hidrodinamičkog pritiska na zidove ili na dno rezervoara prema domaćim propisima (kada se analizira samo impulsivni deo pritiska), umesto koeficijenta Ks (9.7), uzima se ukupni seizmički koeficijent Ke, kojim se obuhvata i interakcija konstrukcije, prema (#7.1.9.2):

Ke = K s ⋅ βi ⋅ηik ⋅ψ

, ............................................................................................................... (9.21)

Ks

koeficijent seizmičkog intenziteta (Okvir 17),

βi

koeficijent dinamičnosti,

ηik ψ

koeficijent zavisan od oblika svojstvenih oscilacija konstrukcije, koeficijent redukcije usled duktiliteta konstrukcije (0.60 ili 0.65).

Seizmička analiza kompletne vodotoranjske konstrukcije može biti sprovedena na idealizovanom dvo-masenom modelu159 (Sl. 9/84a). Pri tome, pokazano je, dinamički uticaj tečnosti u rezervoaru može biti raščlanjen na dva dela: impulsivni i konvektivni, tako što se određuje impulsivna (mi) i konvektivna (mc) masa tečnosti (#9.5.1). Na Sl. 9/81 prikazane su idealizovane distribucije odgovarajućih pritisaka, posebno samo za cilindrični zid, a posebno za sistem zid sa pločom. Dati su i položaji odgovarajućih rezultantnih sila. Za određivanje masa i položaja rezultanti mogu se koristiti alati poput dijagrama na Sl. 9/82 (h je visina tečnosti u sudu), ili odgovarajući analitički izrazi.

Sl. 9/81. Distribucija i rezultante Impulsivnih i konvektivnih pritisaka tečnosti

159

Danas prihvaćen u svim vodećim tehničkim normativima.

444

9. Rezervoari i vodotornjevi

Sl. 9/82. Dijagrami za određivanje impulsivnih i konvektivnih masa i njihovih položaja

Za kružne rezervoare, kakvi vodotoranjski po pravilu jesu, impulsne i konvektivne mase su, prema Evrokodu, određene izrazima (9.12) i (9.16), dok su položaji za sistem zid sa pločom dati sledećim, kompleksnim, formulama:

v + 2 ⋅ ( −1) ⋅ I1 ( vn / γ ) 0.5 + 2 ⋅ γ ⋅ ∑ n vn4 ⋅ I1′ ( vn / γ ) n=0 n +1

∞

hi = H ⋅

I (v / γ ) 2⋅γ ⋅ ∑ 3 1 n n = 0 vn ⋅ I1′ ( vn / γ ) ∞

, za impulsivni, i ....................................... (9.22)

 2 − cosh ( λn ⋅ γ )  hcn = H ⋅ 1 +  λ ⋅ γ ⋅ sinh ( λ ⋅ γ )  , za konvektivni deo. n n  

........................................................ (9.23)

Idealizacijom se usvaja da je impulsivni deo mase tečnosti kruto spojen s rezervoarskim zidom, dok je konvektivni spojen preko elastičnih opruga, krutosti Kc (Sl. 9/82, Sl. 9/83).

Sl. 9/83. Shematski prikaz masa vodotornja

Masa ms (structural mass) je masa konstrukcije i, osim težine samog praznog rezervoara, uključuje i trećinu težine kule. Sa Ks obeležena je lateralna krutost konstrukcije kule. Ovakav dinamički model sa dve mase, po pravilu, ima dva jasno separisana tona oscilovanja (razlika u periodu veća od 2.5 puta), zbog čega sistem može biti tretiran kao nespregnut, odnosno kao dva sistema sa jednim stepenom slobode (Sl. 9/84b). Ukoliko tonovi nisu jasno odvojeni, neophodna je analiza sistema s dva stepena slobode. Za oblike kružnih rezervoara koji se razlikuju od prikazanog cilindričnog, analiza se sprovodi na ekvivalentnom cilindričnom ili se koristi složeniji proračunski model.

445

Brujić - Betonske konstrukcije – radna verzija - 28. novembar 2013

Sl. 9/84. Idealizovani model sa dve mase i ekvivalentni „nespregnuti“ sistem

9.6.5.2. Napomene vezane za proračun, dimenzionisanje i armiranje Prilikom određivanja potrebnih dimenzija temeljne konstrukcije (plitko temeljenje) potrebno je zadovoljiti strog zahtev Pravilnika za temeljenje [60], prema kojem se kod objekata sa visokim težištem (vodotornjevi to svakako jesu) rezultantna sila pritiska u kontaktnoj površi mora naći unutar jezgra preseka za najnepovoljniju kombinaciju opterećenja (za kružnu osnovu – unutar kruga radijusa jednakog šestini radijusa kontaktne površi). Ovim je postavljen uslov kompletno pritisnute kontaktne površi i, izvesno, konstrukcija obezbeđena od prevrtanja (preturanja). Imajući na umu velike seizmičke momente u osnovi (seizmičke sile na velikoj visini), ili momente od dejstva vetra praćene relativno malim aksijalnim silama (prazan rezervoar), prethodni zahtev se praktično teško zadovoljava i često je, pre nego kriterijum dopuštenog naprezanja tla, „kritičan“ u smislu određivanja dimenzija temelja u osnovi. Dodatnom odredbom, prethodni kriterijum postaje još strožiji: zahteva se da rezultantna opterećenja ne bude na ekscentricitetu većem od 1/12 odgovarajuće širine temelja, a za dopuštena naprezanja tla manja od 200kN/m2 – čak 1/18. Kako je vodotoranj, po pravilu, visoka i relativno fleksibilna konstrukcija, to, zbog relativno velikih horizontalnih pomeranja vrha, uticaji drugog reda mogu imati nezanemarljiv značaj, zbog čega ih je neophodno uvrstiti u analizu. Pri tome, od interesa su svi fenomeni kojima se gravitaciono opterećenje izvodi iz vertikalne ose simetrije: pored deformacije same konstrukcije to su i netačnosti izvođenja, ali i zakretanje osnove temelja i njegova rotacija kao krutog tela (Sl. 9/85a). Pri tome, ovu rotaciju poteklu od stalnog opterećenja (ukoliko je ima) valja obračunavati kao imperfekciju izvođenja (inicijalni nagib), a od ključnog značaja je poznavanje

karakteristika

tla

i

pravilna

procena

i

modeliranje

nja/deformacije.

Sl. 9/85. Rotacija tornja kao krutog tela

446

njegovog

ponaša-

9. Rezervoari i vodotornjevi

U svakom slučaju, kada god postoji sumnja u ispravnost plitkog temeljenja, valja se opredeliti za alternativne načine. Podrazumeva se da se konstrukcija odlikuje stabilnošću na preturanje. Proračun uticaja i dimenzionisanje armature u tornju može se približno sprovesti njegovim tretmanom kao linijskog konzolnog elementa uklještenog u temelj, pri čemu je najčešće prstenastog poprečnog preseka. Proračun rezervoarskog dela vodotornjeva odgovara u svemu rečenom za rezervoarske konstrukcije uopšte. Zahtevi vodonepropusnosti su opet najstrožiji uslovi njihovog projektovanja. 9.6.5.3. Armiranje Rezervoarska konstrukcija se armira saglasno pravilima armiranja elemenata od kojih je sastavljen (zidovi, ploče, ljuske). Posebna pažnja mora biti posvećena konstruisanju, armiranju i izvođenju spojeva elemenata, koji su najslabija mesta ovakvih konstrukcija.

Sl. 9/86. Detalj armiranja rezervoara vodotornja

447