Spis treści. Michał STACHÓW Radiocarbon 14 C method as useful tool for flue gas monitoring application: review

Transkrypt

1 Spis treści Katarzyna DOŁŻYK-SZYPCIO Stateczność wewnętrzna ścian oporowych z gruntu zbrojonego geosyntetykiem Internal stability of geosynthetic-reinforce soil retaining walls Artur DUCHACZEK Analiza numeryczna wpływu wymiarów i sposobu mocowania belek poprzecznych na wytężenie źwigarów głównych mostów niskowonych Analysis of influence of cross-beam sizes an methos for their mounting on maximum value of stresses in main girers of low-water briges Ryszar Marian JANKA Wpływ błęów termomoernizacyjnych buynków użyteczności publicznej na poziom jakości powietrza wewnętrznego Impact of thermomoernisation errors of public builings on the level of inoor air quality Walery JEZIERSKI, Joanna BOROWSKA Czy jest to prawziwa optymalizacja parametrów stolarki okiennej? Is that a real optimalisation of winow parameters? Magalena JOKA, Ewa SZATYŁOWICZ, Piotr OFMAN Ocena zawartości metali ciężkich w prouktach fermentacji metanowej biogazowni rolniczej Ryboły Assessment of heavy metal content in proucts of methane fermentation of agricultural biogas plant Ryboły Sławomir ROJ-ROJEWSKI, Olgier ALEKSANDROWICZ Zgoność pomiarów automatycznych stacji meteorologicznych ulokowanych na achach buynków z pomiarami ze stacji IMGW-PIB Compatibility of measurements of automatic weather stations locate on the roofs of builings an measurements of the IMGW-PIB station Michał STACHÓW Raiocarbon 14 C metho as useful tool for flue gas monitoring application: review Zenon SZYPCIO, Katarzyna DOŁŻYK-SZYPCIO Stateczność zewnętrzna ściany oporowej zbrojonej geosyntetykiem External stability of geosynthetic-reinforce soil retaining walls

2 STATECZNOŚĆ WEWNĘTRZNA ŚCIAN OPOROWYCH Z GRUNTU ZBROJONEGO GEOSYNTETYKIEM Katarzyna DOŁŻYK-SZYPCIO Wyział Buownictwa i Inżynierii Śroowiska, Politechnika Białostocka, ul. Wiejska 45A, Białystok Streszczenie: W pracy przestawiono metoykę postępowania zgoną z Eurokoem 7 i wskazówkami EBGEO przy analizowaniu stateczności wewnętrznej ścian oporowych z gruntu zbrojonego geosyntetykiem. Szczegółowo przestawiono każy krok obliczeń, traktując przykła jako barzo pomocny przy projektowaniu tego typu konstrukcji oporowych przez inżynierów. Obliczenia wykonano metoą klasyczną i przy użyciu programu komputerowego GEO5. Pokazano, że metoyka obliczeń EBGEO i metoyka przyjęta przez autorów programu GEO5 la analizowanego przypaku prowazi o zbliżonych poziomów bezpieczeństwa buowli. Program GEO5 może być z powozeniem wykorzystywany przy projektowaniu ścian oporowych z gruntu zbrojonego geosyntetykiem. Słowa kluczowe: geosyntetyki, grunt zbrojony, stateczność wewnętrzna. 1. Wprowazenie Ściany oporowe z gruntu zbrojonego są barzo popularnymi rozwiązaniami inżynierskimi w buownictwie ogólnym i komunikacyjnym. Możliwości zastosowania różnych rozajów geosyntetyków o barzo różnych właściwościach fizyczno-mechanicznych jako elementów zbrojenia, jak też możliwości wykonania zróżnicowanych obuów ścian ecyują o optymalizacji tych rozwiązań po wzglęem konstrukcyjnym, ekonomicznym i architektonicznym (Shukla i Yin, 2006; Becker i Moore, 2008; Briau, 2013; Clayton i in., 2013;). Metoyka zbrojenia gruntu jest stosunkowo młoa i nie ma jenolitej metoy projektowania konstrukcji z gruntu zbrojonego. Projektanci muszą korzystać z różnych norm, artykułów naukowych, instrukcji i monografii (Shukla i Yin, 2006; Wysokiński i Kotlicki, 2008; BS , 2010; EBGEO, 2011). O kilku lat w Polsce często wykorzystywane są wskazówki poane w zaleceniach EBGEO (2011). Chociaż opisana metoyka postępowania jest osyć czytelnie przestawiona w EBGEO to w artykule zwraca się szczególną uwagę na zaganienie sprawzania różnych warunków stateczności wewnętrznej ściany oporowej z gruntu zbrojonego geosyntetykiem. Metoykę postępowania przy analizie stateczności zewnętrznej ściany oporowej opisano w pracy Szypcio i Dołżyk-Szypcio (2016). W niniejszym artykule scharakteryzowano poszczególne kroki przy projektowaniu ścian oporowych z gruntu zbrojonego. Wykazano, że szerokość ściany (ługość zbrojenia) znacząco zależy o nośności położa i la wielu przypaków zalecana minimalna ługość może być niewystarczająca. Przy analizie stateczności wewnętrznej sprawza się czy maksymalne wartości w poszczególnych warstwach zbrojenia nie spowoują jego rozerwania lub wyciągnięcia. Należy również sprawzić czy nie wystąpi poślizg po zbrojeniu części bloku gruntu zbrojonego leżącego na aną warstwą. Konieczne jest również sprawzenie wytrzymałości kontaktu zbrojenia z obuową (BS , 2010; EBGEO, 2011). Postawowe schematy utraty stateczności wewnętrznej pokazano na rysunku 1. a) zerwanie zbrojenia b) wyciąganie zbrojenia c) poślizg wewnętrzny ) zerwanie połączenia Rys. 1. Schematy utraty stateczności wewnętrznej Jeżeli la analizowanego rozwiązania zapewniona jest stateczność zewnętrzna i wewnętrzna, to wówczas obiera się ostateczne ługości i wytrzymałości poszczególnych warstw zbrojenia jako rozwiązanie najbarziej optymalne ze wzglęów techniczno-ekonomicznych. Autor opowiezialny za koresponencję. k.olzyk@pb.eu.pl 197

3 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) Geometria ściany oporowej Geometrię ściany oporowej z gruntu zbrojonego geosyntetykiem pokazano na rysunku 2. Rys. 3. Kombinacje obciążeń ściany oporowej z gruntu zbrojonego: a) kombinacja K1, b) kombinacja K2 Rys. 2. Geometria ściany oporowej z gruntu zbrojonego geosyntetykiem Analizowano ścianę o wysokości H = 5,0 m i szerokości L = 3,50 m o zbrojeniu z 8 warstw geotkaniny ułożonych co 0,60 m. Dolne 5 warstw stanowi geotkanina 80/20 zaś górne 3 warstwy geotkanina 50/15. Zakłaa się, że naziom może być obciążony ruchem rogowym o śrenim obciążeniu ciągłym q = 15 kpa. Jako zasypkę (grunt G1) zastosowano piasek gruby o I D = 0,8, zaś gruntem nasypowym (G2) jest piasek śreni o I D = 0,8. Górną warstwą położa (G3) jest piasek robny o I D = 0,6. Wartości charakterystyczne parametrów gruntów niezbęne o analizy stateczności wewnętrznej ściany oporowej przestawiono w tabeli 1. Przy projektowaniu geotechnicznym zgonie z Eurokoem 7 (PN-EN , 2008) konieczne jest rozpatrywanie najbarziej niekorzystnych kombinacji obciążeń. Przy analizie stateczności wewnętrznej ściany oporowej z gruntu zbrojonego rozpatrywane są wie kombinacje obciążeń schematycznie pokazane na rysunku 3. Kombinacja obciążeń K1 stosuje się gy ciężar zasypki i obciążenie zmienne usytuowane na blokiem gruntu zbrojonego ziałają niekorzystnie oraz występują maksymalne parcia o gruntu nasypowego i obciążenia zmiennego. Przy rozpatrywaniu kombinacji obciążeń K2, w przeciwieństwie o kombinacji K1, ciężar zasypki i obciążenie zmienne na blokiem gruntu zbrojonego są oziaływaniami korzystnymi, zatem w analizie obciążenia zmienne powinny być pominięte (γ Q = 0). Euroko 7 (PN-EN , 2008) umożliwia stosowanie 3 poejść obliczeniowych. Poczas analizy stateczności wewnętrznej są wykorzystywane wa poejścia obliczeniowe: poejście obliczeniowe 2 (EBGEO, 2011) przy analizie kontaktu zbrojenia z obuową i poejście obliczeniowe 3 przy analizie warunku na rozrywanie i wyciąganie zbrojenia. W pracy (EBGEO, 2011) nie analizuje się utraty stateczności wewnętrznej spowoowanej poślizgiem po warstwie zbrojenia. W tabeli 2 przestawiono współczynniki częściowe konieczne przy analizie stateczności wewnętrznej la poejścia obliczeniowego 2 i 3 zgonie z Eurokoem Rozrywanie i wyciąganie zbrojenia Przy sprawzaniu warunku na rozerwanie i wyciąganie zbrojenia zgonie z zaleceniami EBGEO (2011) należy sprawzić czy la najbarziej niebezpiecznej powierzchni poślizgu spełniony jest warunek: Tab. 1. Parametry fizyczno-mechaniczne gruntów Grunt Opis Rozaj Symbol Ciężar objętościowy γ,k / γsat Kąt tarcia wewnętrznego φ,k Efektywna spójność c,k [kn/m 3 ] [º] [kpa] Zasypka Piasek gruby (CSa) G1 18,0 / 20, Nasyp Piasek śreni (MSa) G2 18,2 / 20, Położe Piasek robny (FSa) G3 17,5 / 19,

4 Tab. 2. Współczynniki częściowe weług Eurokou 7 Oziaływania Materiały Opory stałe zmienne Współczynniki częściowe Opis niekorzystne Symbol γg Poejście obliczeniowe 2 Katarzyna DOŁŻYK-SZYPCIO Poejście obliczeniowe 3 1,35 1,0 korzystne 1,0 1,0 niekorzystne γq 1,5 1,3 korzystne 0 0 Kąt tarcia (tan φ) γφ 1,0 1,25 Efektywna kohezja (c ) γc 1,0 1,25 Ciężar objętościowy (γ) γγ (*) 1,0 1,0 Poślizg γrh 1,1 1,0 Opór gruntu γre - 1,0 Objaśnienia: (*) współczynniki poane przez Bona i Harrisa (2008). E, min RBi, ; RAi, (1) gzie: ΣE ϑ, jest sumą obliczeniowych wartości skłaowych poziomych oziaływań la rozważanej linii poślizgu, zaś ΣE Bi, i ΣE Ai, sumą wartości obliczeniowych wytrzymałości na rozerwanie i wyciąganie warstw i zbrojenia przecinanych rozważaną powierzchnią poślizgu. W wielu proponowanych w literaturze rozwiązaniach oblicza się wartości sił w poszczególnych warstwach zbrojenia (BS , 2010; GEO5, 2016) i sprawza czy siła ta nie rozrywa i wyciąga tej warstwy zbrojenia. E i, min RBi, ; RAi, (2) Spełnienie warunku (2) zawsze skutkuje spełnieniem warunku (1). Spełnienie warunku (1) nie musi zawsze prowazić o spełnienia warunku (2). Problem ten bęzie omawiany w alszej części artykułu. Ze wzglęu na specyficzne właściwości geosyntetyków konieczne było opracowanie specjalnej metoy obliczeń ich wytrzymałości ługoterminowej. Powszechnie przyjęto, że wytrzymałość krótkoterminową (R B,k0) koryguje się przez wprowazenie opowienich współczynników reukcyjnych A i (Wysokiński i Kotlicki, 2008; BS , 2010; EBGEO, 2011) i współczynnika materiałowego γ M. Zatem obliczeniową wartość wytrzymałości ługoterminowej zbrojenia na rozerwanie określa się z równania (Wysokiński i Kotlicki, 2008; EBGEO, 2011) RBi, k RBi, k0 RBi M A1 A2 A3 A4, (3) gzie: A i są współczynnikami uwzglęniającymi spaek wytrzymałości, eklarowanymi przez proucenta lub wyznaczane oświaczalnie. Współczynnik A 1 uwzglęnia spaek wytrzymałości na skutek pełzania, A 2 uszkozenia w transporcie, A 3 na skutek połączeń i A 4 ziałania czynników śroowiskowych zaś γ M jest reukcyjnym współczynnikiem materiałowym. Dla rozważanego w pracy przypaku przyjęto: A 1 = 2,5; A 2 = 1,2; A 1 = A 1 = 0; zaś γ M = 1,4 (EBGEO, M 2011). Charakterystyczną natychmiastową wartość wytrzymałości na rozrywanie w warstwie i oznaczono jako R Bi,k0. Dla pięciu olnych warstw zbrojenia i = 1-5 R Bi, = 19,04 kn/m, zaś la trzech górnych i = 6-8 R Bi, = 11,90 kn/m. Wartość obliczeniową siły wyciągającej warstwę i zbrojenie obliczamy z równania: RAi, 2 vi, LAi tani (4) B gzie: σ vi, jest wartością obliczeniową naprężeń normalnych o i-tej warstwy zbrojenia, L Ai ługością i-tej warstwy zbrojenia w strefie biernej bloku gruntu zbrojonego. Wartość kąta tarcia gruntu zasypki o geosyntetyk powinna być określona eksperymentalnie. W pracy przyjęto za Wysokińskim i Kotlickim (2008) i EBGEO (2011), że tani 0,8 tan1,k (5) Współczynnik reukcyjny na wyciąganie γ B = 1,4 (EBGEO, 2011). Zauważyć należy, że warunek (2) prowazi o powyższenia poziomu bezpieczeństwa buowli. Analizowana powierzchnia poślizgu może przecinać warstwę geosyntetyku blisko jej końca o małej lub barzo małej ługości zakotwienia w strefie biernej, a zgonie z warunkiem (1) warstwa ta jest brana po uwagę przy analizie warunku na rozrywanie i wyciąganie. Zgonie z EBGEO (2011) rozważa się prostoliniowe powierzchnie poślizgu przecinające lico ściany na poziomie Z A o różnym kącie nachylenia ϑ. Minimalny kąt nachylenia ϑ min = 0º, zaś maksymalny ϑ max = 45º + 0,5φ 1, = 59,65º (rys. 3). W pracy analizowano linie poślizgu przecinające lico ściany na poziomie poszczególnych warstw zbrojenia i kątach nachylenia ϑ = 7,5º, 15,0º, 22,5º, 30,0º, 37,5º, 45,0º, 52,5º, 59,65º 199

5 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) Rys. 4. Przykłaowe powierzchnie poślizgu Na rysunku 4 pokazano również parcia jenostkowe gruntu nasypowego na blok gruntu zbrojonego. Zgonie z EBGEO (2011) przy sprawzaniu warunku na rozrywanie i wyciąganie stosuje się poejście obliczeniowe 3. Zatem wartości obliczeniowe czynnych parć jenostkowych na blok gruntu zbrojonego o ciężaru gruntu nasypowego i obciążenia zmiennego q mają postać: e a, 2, z Ka, (6) e aq, q z Ka, (7) gzie: q 2, 2, k (8) q k Q (9) 2 cos 2, 1 K a, (10) 1 sin 2 cos sin 2, 2, 2, cos 2, 2, 2 2, 2, (11) 3 γ γ = 1,0; γ G = 1,0; γ Q = 1,3; φ 2, = arctan(tan φ 2,k / γ φ). Skłaowe poziome są równe opowienio: e a h, ea, cos2, (12) e aqh, eaq, cos2, (13) Zaś skłaowe pionowe e a v, ea h, tan2, (14) e aqv, eaqh, tan2, (15) Siły ziałające na aktywną część bloku gruntu zbrojonego schematycznie pokazano na rysunku 5. Rys. 5. Siły ziałające na aktywny blok gruntu: a) powierzchnia poślizgu nie przecina linii naziomu, b) powierzchnia poślizgu przecina linię naziomu Wartość obliczeniową ciężaru części aktywnej bloku gruntu zbrojonego la powierzchni poślizgu przecinającej obuowę ściany oporowej w oległości Z A o naziomu i nachylonej po kątem ϑ o poziomu określa równanie: 1 G, 1, L Z A H la H Z A (16a) 2 1 G Z B la H 2 Z, 1, A A (16b) gzie: H Ltan (17a) B B L la H Z A (17b) Z A cot la H Z A (17c) Wartość obliczeniowa wypakowej obciążenia zmiennego ziałającego na aktywną część bloku gruntu zbrojonego Q, q B (18) Zauważmy, że la ϑ < φ 1, siła F * ϑ < 0, zatem ciężar części aktywnej bloku gruntu zbrojonego oraz obciążenie zmienne na blokiem są oziaływaniami korzystnymi i zgonie z Eurokoem 7 (2008) γ G = 1,0, a γ Q = 0, a więc w obliczeniach należy przyjmować kombinacje obciążeń K2. Dla ϑ < φ 1, Q 0 (19), Parcie gruntu na aktywną część bloku gruntu zbrojonego przy rozważaniu warunku na rozrywanie 200

6 Katarzyna DOŁŻYK-SZYPCIO i wyciąganie zbrojenia geosyntetycznego jest oziaływaniem niekorzystnym, zatem la trzeciego poejścia obliczeniowego γ G = 1,0, zaś γ Q = 1,3. Skłaowe poziome i pionowe całkowitych parć są zapisane równaniami: E E 1 2 K Z H 2 a h, 2, ah, A (20) q K Z H aqh,, ah, A (21) E a v, Eah, tan2, (22) E aqv, Eaqh, tan2, (23) gzie: K ah, Ka, cos2, (24) Wartość charakterystyczna siły oporu tarcia na płaszczyźnie poślizgu ozielającej część aktywną o części biernej bloku gruntu zbrojonego oznaczono jako R ϑ (rys. 5). Do sprawzenia warunku na rozrywanie i wyciąganie geosyntetyku konieczna jest znajomość skłaowej poziomej tej siły oznaczonej jako F ϑ,. Na rysunku 5 pokazano wieloboki sznurowe la przypaku gy powierzchnia poślizgu przecina linię naziomu poza blokiem gruntu zbrojonego (rys. 5a) i gy powierzchnia poślizgu w całości jest wewnątrz bloku gruntu zbrojonego (rys. 5b). Zatem la H ϑ Z A: G Q E E tan F,,, av, aqv, 1, (25) oraz la H ϑ > Z A: G Q tan F,,, k 1, (26) Obliczeniowa wartość sumy skłaowych poziomych oziaływań na aktywną część bloku gruntu zbrojonego la powierzchni poślizgu o nachyleniu ϑ jest: E E E F la Z h, ah, aqh,, A (27) Eh, F, la H ZA (28) H Zgonie z EBGEO (2011) warunek na rozrywanie i wyciąganie ma postać: min R ; R (29) E h, Bi, Ai, gzie: R Bi, jest ługoterminową wartością obliczeniową wytrzymałości na rozrywanie warstwy i zbrojenia przecinanego przez powierzchnię poślizgu, zaś R Ai, wartością obliczeniową na wyciąganie tej warstwy zbrojenia. Zatem aby spełnić warunek (29) na rozrywanie i wyciąganie należy la anej linii poślizgu znaleźć sumaryczną wartość wytrzymałości na rozrywanie warstw geosyntetyków przecinanych przez linię poślizgu i sumaryczną wartość oporów na wyciąganie tych warstw geosyntetyku. Wartość siły poziomej ziałającej na aktywny blok gruntu zbrojonego powinna być mniejsza o mniejszej sumarycznej wartości na rozrywanie lub wyciąganie. W tabeli 3 pokazano wartości śrenie sił w n warstwach zbrojenia przecinanych przez powierzchnię poślizgu: Eh, Eh, (30) n Należy zauważyć, że la wszystkich rozważanych wartości Z A i małych kątów ϑ wartości E * h ϑ, są ujemne, co świaczy o tym, że skłaowa pozioma oporów poślizgu na rozważanej powierzchni poślizgu jest większa o sumy skłaowych poziomych oziaływań na aktywny blok gruntu. Maksymalne wartości E * h ϑ, la Z A = 5,0 i 4,4 m otrzymano la kąta ϑ = 45 zaś la Z A < 4,4 m opowienio la ϑ = 59,65. Zatem można rozpatrywać tylko linie o nachyleniu ϑ 45, ϑ = 45º + 0,5φ 1,. Takie postępowanie prowazić może jenak o nieekonomicznego lub niebezpiecznego zaprojektowania ściany oporowej z gruntu zbrojonego geosyntetykiem. Zaniem autorki należy wykonać obliczenia la wielu wartości Z A i kątów ϑ, aby prawiłowo zaprojektować ścianę oporową z gruntu zbrojonego. Proceura obliczeń jest jenak barzo pracochłonna. W tabeli 4 pokazano wyniki analizy warunku na rozrywanie, zaś w tabeli 5 na wyciąganie zbrojenia. Tab. 3. Wartości obliczeń [kn/m] ZA ϑ m 7,5 15,0 22,5 30,0 37,5 45,0 52,5 59,65 5,0-66,1-13,6 1,5 12,4 15,1 15,8 13,4 13,8 4,4-64,3-15,0-0,8 8,9 11,7 12,5 12,2 12,3 3,8-60,6-15,4-2,3 6,0 8,7 9,7 11,2 11,7 3,2-55,1-14,8-3,2 3,6 6,2 8,7 10,2 10,8 2,6-47,6-13,3-3,4 1,7 5,3 7,9 9,2 9,6 2,0-38,3-10,7-2,9 0,6 4,7 7,0 8,2 8,6 1,4-27,1-7,2-2,5 0,5 4,2 6,3 7,4 7,7 0,8-14,0-5,5-1,6 0,5 4,0 6,0 7,0 7,3 201

7 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) Tab. 4. Warunek na rozrywanie ZA E * h ϑ, Wytrzymałość ługoterminowa RBi, [kn/m] ΣRBi, ΔB m kn/m kn/m % 5,0 94,7 19,04 19,04 19,04 19,04 19,04 95,2 99,5 4,4 75,2 19,04 19,04 19,04 19,04 11,9 88,1 85,4 3,8 70,1 19,04 19,04 19,04 11,9 11,9 11,9 92,8 75,5 3,2 53,1 19,04 19,04 11,9 11,9 11,9 73,8 72,0 2,6 38,3 19,04 11,9 11,9 11,9 54,7 70,0 2,0 25,8 11,9 11,9 11,9 35,7 72,3 1,4 15,4 11,9 11,9 23,8 64,7 0,8 7,3 11,9 11,9 61,3 Tab. 5. Warunek na wyciąganie ZA E * h ϑ, Opór na wyciąganie w warstwie RAi, [kn/m] ΣRAi, ΔA m kn/m kn/m % 5,0 94,7 310,8 232,5 164,5 106,9 59,7 874,4 10,8 4,4 75,2 278,5 205,7 143,3 91,2 49,5 768,2 9,8 3,8 70,1 246,2 194,3 148,4 108,6 74,9 47,3 819,7 8,6 3,2 53,1 215,9 167,1 124,2 87,5 56,8 651,5 8,2 2,6 38,3 185,7 139,8 100,1 66,4 492,0 7,8 2,0 25,8 155,4 112,6 75,9 343,9 7,5 1,4 15,4 125,2 85,4 210,6 7,3 0,8 7,3 94,9 94,9 7,7 Przy wykorzystaniu wóch różnych geosyntetyków o wytrzymałości krótkoterminowej 80/20 kn/m i 50/15 kn/m konieczne jest ze wzglęu na rozrywanie zastosowanie geosyntetyku 80/20 w pięciu olnych warstwach, zaś geosyntetyku 50/15 w trzech górnych warstwach. Współczynnik wykorzystania nośności na rozrywanie la wóch olnych warstw wynosi około 90%, czterech śrokowych ~70% i wóch górnych ~65%. Zauważyć należy, że można zaproponować wiele rozwiązań spełniających warunek na rozrywanie zbrojenia geosyntetycznego, stosując więcej rozajów geosyntetyków. Decyzję o wyborze ostatecznego rozwiązania poejmuje projektant mając na uwaze wzglęy ekonomiczne i wykonawcze. Stopień wykorzystania nośności na wyciąganie jest mały i nie przekracza 11%, co by sugerowało możliwość skrócenia zbrojenia. W analizowanym przykłazie L = 0,7H, zatem jest minimalną ługością zalecaną obecnie przy projektowaniu ścian oporowych z gruntu zbrojonego. Inną proceurę obliczeń sił w warstwach zbrojenia zastosowano w programie komputerowym GEO5 (2016) (tab. 6). Wartości obliczeniowe sił w poszczególnych warstwach zbrojenia E i, oraz stopnie wykorzystania nośności ze wzglęu na rozrywanie Δ B,i i wyciąganie Δ A,i poszczególnych warstw przestawiono w tabeli 7. Tab. 6. Warunek na rozrywanie i wyciąganie GEO5 Nr warstwy E * i, RBi, RAi, Δ * B Δ * A kn/m kn/m kn/m ,14 19,04 403,3 48,0 2,3 2 19,33 19,04 329,6 91,0 5,3 3 15,52 19,04 259,7 81,5 6,0 4 13,45 19,04 199,6 70,6 6,7 5 11,69 19,04 145,9 61,4 8,0 6 9,70 11,90 99,0 81,5 9,8 7 7,65 11,90 60,6 64,2 12,6 8 8,97 11,90 29,7 75,3 30,2 202

8 Katarzyna DOŁŻYK-SZYPCIO Tab. 7. Siły w zbrojeniu oraz stopień wykorzystania nośności na rozrywanie i wyciąganie Nr warstwy E * i, RBi, RAi, ΔBi ΔAi kn/m kn/m kn/m ,41 19,04 403,3 48,0 2,3 2 17,33 19,04 329,6 91,0 5,3 3 15,52 19,04 259,7 81,5 6,0 4 13,45 19,04 199,6 70,6 6,7 5 11,69 19,04 145,9 61,4 8,0 6 9,70 11,90 99,0 81,5 9,8 7 7,65 11,90 60,6 64,2 12,6 8 8,97 11,90 29,7 75,3 30,2 Z obliczeń programem komputerowym GEO5 wynika, że ze wzglęu na rozrywanie i wyciąganie obliczenia wykonywane zgonie z zaleceniami EBGEO (2011) są poprawne. Proceura przestawiona w EBGEO nie aje możliwości analizy sił w poszczególnych warstwach zbrojenia, zatem obie metoy nie mogą być porównane bezkrytycznie. Szczególne różnice są wioczne przy rozważaniu wyciągania warstw zbrojenia. Zgonie z obliczeniami programem GEO5 górne warstwy zbrojenia mają największy stopień wykorzystania nośności na wyciąganie, co nie jest wioczne przy analizie zgonie z proceurą zalecaną przez EBGEO (2011). 4. Poślizg gruntu po zbrojeniu Możliwa jest utrata stateczności wewnętrznej spowoowana poślizgiem części bloku gruntu zbrojonego po zbrojeniu, tak zwany poślizg wewnętrzny (BS , 2010). Schematycznie problem pokazano na rysunku 1c. Przy analizie poślizgu wewnętrznego najbarziej niekorzystna jest kombinacja obciążeń K2 (rys. 6). Rys. 6. Schemat oziaływań przy analizie poślizgu wewnętrznego Zgonie z Eurokoem 7 (PN-EN , 2008) poślizg po i-tej warstwie nie wystąpi jeżeli spełniony jest warunek: E i Rsi,, (31) Dla rozpatrywanego w artykule przykłau: E i Eahi, R, (32) G i, Eavi, fs f Rh si,, (33) Gi 1, L zi, (34) Wartości E ahi, i E avi, oblicza się korzystając z równań (20, 21, 22, 23). Ponato przyjęto, że: f s, 0,8 tan 1, (35) W tabeli 8 i 9 przestawiono la poszczególnych warstw zbrojenia oziaływania i opory la poejścia obliczeniowego 2 i 3, przyjmując współczynniki częściowe oziaływań, materiałów i oporów zgonie z Eurokoem 7 (PN-EN , 2008) zamieszczone w tabeli 2. Współczynniki wykorzystania nośności oznaczone opowienio la poejść obliczeniowych jako Δ s2 i Δ s3 obliczono z równania: s E R i, si, 100% (36) Przy obu poejściach obliczeniowych współczynniki wykorzystania nośności są poobne. Nieco wyższy poziom bezpieczeństwa buowli otrzymuje się stosując poejście obliczeniowe 3. Należy zauważyć, że zwiększając ługość zbrojenia ponosi się zawsze poziom bezpieczeństwa buowli. W zaleceniach EBGEO (2011) utrata stateczności wewnętrznej w wyniku poślizgu gruntu zasypowego po zbrojeniu nie jest analizowana. Ze wzglęu na wykorzystanie różnych geosyntetyków o zbrojenia gruntu o różnym współczynniku tarcia pomięzy geosyntetykiem a gruntem, zaniem autorki, zachozi konieczność analizy poślizgu wewnętrznego la każej warstwy zbrojenia. 203

9 Tab. 8. Poślizg wewnętrzny poejście obliczeniowe 2 Nr warstwy Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) Zi Gi, Eaγhi, Eaqhi, Eaγvi, Eaqvi, Eahi, Eavi, Rsi, Δs2 m kn/m kn/m kn/m kn/m kn/m kn/m kn/m kn/m % 8 0,8 50,4 2,10 4,60 0,8 1,8 6,7 2,6 27,0 24,8 7 1,4 88,2 6,20 8,10 2,4 3,2 14,3 5,6 47,8 29,9 6 2,0 126,0 12,80 11,50 5,0 4,5 24,3 9,5 69,0 35,2 5 2,6 163,8 21,63 14,99 8,4 5,9 36,6 14,3 90,7 40,4 4 3,2 201,6 32,76 18,44 12,8 7,2 51,2 20,0 112,8 45,4 3 3,8 239,4 46,19 21,90 18,0 8,6 68,1 26,6 135,4 50,3 2 4,4 277,2 61,93 25,36 24,2 9,9 87,3 34,1 158,8 55,0 1 5,0 315,0 79,98 28,82 31,2 11,3 108,8 42,5 182,0 59,8 Tab. 9. Poślizg wewnętrzny poejście obliczeniowe 3 Nr warstwy Zi Gi, Eaγhi, Eaqhi, Eaγvi, Eaqvi, Eahi, Eavi, Rsi, Δs3 m kn/m kn/m kn/m kn/m kn/m kn/m kn/m kn/m % 8 0,8 50,4 1,9 5,10 0,6 1,6 7,0 2,2 23,7 29,5 7 1,4 88,2 5,9 8,80 1,9 2,8 14,7 4,7 41,8 35,2 6 2,0 126,0 12,0 12,60 3,8 4,0 24,6 7,9 60,3 40,8 5 2,6 163,8 20,2 16,40 6,5 5,2 36,6 11,7 79,0 46,3 4 3,2 201,6 30,7 20,20 9,8 6,4 50,8 16,2 98,0 51,8 3 3,8 239,4 43,2 24,00 13,8 7,7 67,2 21,5 117,4 57,2 2 4,4 277,2 58,0 27,80 18,5 8,9 85,7 27,4 137,1 62,5 1 5,0 315,0 74,9 31,60 23,9 10,1 106,4 34,0 157,1 67,7 5. Zniszczenie połączenia geosyntetyku z obuową Obuowa i połączenie obuowy z geosyntetykiem musi zapewnić bezawaryjne użytkowanie ściany w okresie jej eksploatacji. Wytrzymałość geosyntetyku, jego połączenia z obuową i opór na wyciąganie warstwy muszą być większe o siły parcia gruntu zasypki w analizowanej warstwie. Symbolicznie warunek ten ma postać: E fi, min RBi, ; RAi, ; R fi, (37) Obliczeniowe wartości skłaowych poziomych parć gruntu zasypki (rys. 7) na obuowę określają równania: e K z a hi, 1, ah, i (41) e aqhi, q, Kah, (42) gzie E fi, jest obliczeniową wartością parcia gruntu w analizowanej warstwie. E fi, eahi, lv (38) gzie: l v jest grubością analizowanej warstwy (rys. 4) zaś e ahi, eahi, q eaqhi, (39) Zgonie z EBGEO (2011) współczynniki η γ i η q są równe: 0,7 la zi 2,0m (40a) 1,0 la zi 2,0m (40b) Rys. 7. Skłaowe poziome parć jenostkowych na obuowę ściany 1,0 la wszystkich warstw (40c) q 204

10 Katarzyna DOŁŻYK-SZYPCIO gzie: 2 cos 1, K ah, (43) 2 sin 1, 1, sin 1, 1 cos 1, 2 1, 1, (44) 3 Parcia o ciężaru objętościowego zasypki i obciążenia zmiennego są oziaływaniami niekorzystnymi, zatem wskazane jest użycie kombinacji obciążeń K1. W zaleceniach EBGEO (2011) stosowane jest rugie poejście obliczeniowe należy stosować opowienie współczynniki obciążenia, materiału i oporów poane w Eurokozie 7 (2008) la tego poejścia obliczeniowego (γ γ = 1,0; γ φ = 1,0; γ G = 1,35; γ Q = 1,5; γ R = 1,4). Wytrzymałość ługoterminowa geosyntetyku na rozrywanie jest określona równaniem (3) i wynosi R Ai, = 19,04 kn/m la warstwy 1-5 (i = 1-5) i R Ai, = 11,9 kn/m la warstw 6-8 (i = 6-8). Ze wzoru 4 wynika, że L Ai(R Ai,) la połączenia z obuową jest większe o L Ai(R Ai,) la owolnej powierzchni poślizgu, zatem w pracy nie liczono oporów na wyciąganie przy analizie wytrzymałości połączenia geosyntetyku z obuową. W pracy przyjęto oblicowanie ściany przez wywijanie geotkaniny. Zatem E fi, = R Bi, i warunek (37) ma postać: E fi, RBi, (45) zaś współczynnik wykorzystania nośności f E R fi, Bi, 100% (46) Wielkości konieczne o sprawzenia warunku zniszczenia połączenia geosyntetyku z obuową przestawiono w tabeli 10. Z obliczeń wynika, że zapewniona jest wytrzymałość połączenia geosyntetyku z obuową. Stosując metoykę przestawioną w EBGEO (2011) sprawzania połączeń geosyntetyku z obuową jest absolutnie konieczne. W praktyce inżynierskiej często przyjmuje się kąt tarcia gruntu o konstrukcję δ 1, = 0 szczególnie gy obciążenia na ścianę są ynamiczne (na przykła o ruchu samochoowego). W świetle zaleceń EBGEO (2011) prowazi to o nieracjonalnego zwiększenia poziomu bezpieczeństwa buowli. Program GEO5 (2016) nie analizuje bezpośrenio sił połączenia obuowy z geosyntetykiem. Zaniem autorki należy przyjmować wartości sił w połączeniu równe wartościom otrzymanym la poszczególnych warstw zbrojenia. Porównując wartości sił E i, (tab. 6) i E fi, (tab. 9) można powiezieć, że w warstwach olnych zbrojenia (i = 1-5) wartości E i, są o około 30% większe o wartości E fi,, zaś la górnych warstw zbrojenia (i = 6-8) są zbliżone o siebie (E i, E fi,). 6. Wnioski Analiza stateczności wewnętrznej ścian oporowych z gruntu zbrojonego zgonie z metoyką zalecaną w EBGEO jest osyć pracochłonna. Przy analizie rozrywania i wyciągania zbrojenia stosowane jest 3 zaś przy analizie połączenia geosyntetyku z obuową 2 poejście obliczeniowe. Weług EBGEO nie ma konieczności sprawzania poślizgu wewnętrznego. Wartości sił w warstwach zbrojenia otrzymane klasyczną metoą EBGEO są zbliżone o wartości otrzymanych z obliczeń programem komputerowym GEO5. Program GEO5 może być z powozeniem wykorzystany o analizy stateczności wewnętrznej ścian oporowych z gruntu zbrojonego geosyntetykiem. Literatura Bon A., Harris A. (2008). Decoing Eurocoe 7. Taylor & Francis Group, Lonon an New York. Becker D.E., Moore I.D.(e.) (2008). Canaian Founation Engineering Manual. 4-th Eition. The Canaian Geotechnical Society c/o BiTech Publisher Lt., Richmon, British Columbia, Canaa. Briau J.-L. (2013). Geotechnical Engineering: Unsaturate an saturate soils. John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, USA. BS :2010. Coe of practice for strengthene/reinforce soils an Rother fills.bsi Stanars Publication. Tab.10. Zerwanie połączenia z obuową Nr warstwy zi Kah, lv ηγ ηq Efi, RBi, Δj m - m - - kn/m kn/m % 8 0,8 0,224 1,1 1,0 1,0 10,33 11,9 86,8 7 1,4 0,224 0,6 1,0 1,0 7,60 11,9 63,9 6 2,0 0,224 0,6 1,0 1,0 9,56 11,9 80,0 5 2,6 0,224 0,6 0,7 1,0 8,97 19,04 47,1 4 3,2 0,224 0,6 0,7 1,0 10,22 19,04 53,7 3 3,8 0,224 0,6 0,7 1,0 11,72 19,04 61,6 2 4,4 0,224 0,6 0,7 1,0 13,09 19,04 68,8 1 5,0 0,224 0,3 0,7 1,0 7,23 19,04 38,0 205

11 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) Clayton Ch.R.I., Woos R.I., Bon A.J., Milititsky J. (2013). Earth pressure an Earth-Retaining Structure. Taylor & Francis Group, Floria, USA. EBGEO (2011). Recommenations for Design an Analysis of Earth Structures using Geosynthetic Reinforcements. Wiley Company, Ernest & Sohn, Germany, GEO5 (2016). Poręcznik Użytkownika, Eycja Fine civil engineering software. PN-EN (2008). Euroko 7. Projektowanie geotechniczne. Część 1: Zasay ogólne. PKN, Warszawa. Shukla S. K., Yin J.-H. (2006) Funamentals of Geosynthetic Engineering. Taylor & Francis Group, Lonon. Szypcio Z., Dołżyk-Szypcio K. (2016). Stateczność zewnętrzna ściany oporowej zbrojonej geosyntetykiem. Buownictwo i Inżynieria Śroowiska, Vol. 7, Nr 4, Wysokiński L., Kotlicki W. (2008). Projektowanie konstrukcji oporowych stromych skarp i nasypów z gruntu zbrojonego geosyntetykami. ITB, Instrukcje, Wytyczne, Poraniki. Nr 429/2008, Warszawa. INTERNAL STABILITY OF GEOSYNTHETIC -REINFORCED SOIL RETAINING WALLS Abstract: This paper presents a esign methoology in accorance with Eurocoe 7 an EBGEO s recommenations when analysing the internal stability of geosynthetic-reinforce soil retaining walls. Every step was thoroughly presente, consiering the example as very helpful in esigning such retaining constructions by engineers. The calculation were carrie out with the use of classical metho an GEO5 software. It was shown that the application of EBGEO calculation methoology an GEO5 programme methoology lea to similar levels of the retaining wall s safety. GEO5 programme can be successfully use for esigning the geosyntheticreinforce retaining walls. 206

12 ANALIZA NUMERYCZNA WPŁYWU WYMIARÓW I SPOSOBU MOCOWANIA BELEK POPRZECZNYCH NA WYTĘŻENIE DŹWIGARÓW GŁÓWNYCH MOSTÓW NISKOWODNYCH Artur DUCHACZEK Wyział Zarzązania, Wyższa Szkoła Oficerska Wojsk Ląowych im. generała Taeusza Kościuszki, ul. Czajkowskiego 109, Wrocław Streszczenie: Wojskowe mosty niskowone są obiektami inżynierskimi przeznaczonymi o krótkotrwałego użytkowania. Tego typu rozwiązania konstrukcyjne pojawiają się również w cywilnych obiektach mostowych. W literaturze przemiotu nie poano jenak wytycznych o ich projektowania w przypaku wykorzystania jako stężeń poprzecznych pojeynczych ceowników i wuteowników stalowych (tak zwanych belek poprzecznych). W niniejszej pracy przeanalizowano wpływ zarówno zmiany sztywności przyjętych w obliczeniach numerycznych połączeń montażowych, jak i sztywności samych belek poprzecznych na maksymalne wartości naprężeń w źwigarach głównych wojskowych mostów niskowonych. Na postawie przeprowazonych obliczeń stwierzono, że w przypaku źwigarów głównych wykonanych z wuteowników stalowych o wysokości 400 mm, przy założeniu, że ich rozstaw nie przekracza oległości 0,80 m, stosowanie belek poprzecznych z kształtowników stalowych o wysokości zbliżonej o wartości połowy wysokości źwigara głównego jest zupełnie wystarczające. Słowa kluczowe: metoa elementów skończonych, mosty niskowone, konstrukcje stalowe. 1. Wprowazenie Mosty niskowone to obiekty inżynierskie przeznaczone z założenia o krótkotrwałego użytkowania. Uniemożliwiają one prowazenia żeglugi oraz spływu kry loowej (Mosty wojskowe, 1994). W literaturze anglojęzycznej mosty te określane są mięzy innymi jako military nonstanar fixe briges (Ray i Sea- Sanabria, 2002) lub low-water brige (McDonal i Anerson-Wilk, 2003). W tego typu konstrukcjach złącza śrubowe stosuje się prze wszystkim o łączenia pojeynczych źwigarów głównych wykonanych z wuteowników stalowych o wysokości powyżej 0,40 m, przy założeniu, że ich rozstaw nie przekracza oległości 0,85 m (Mosty wojskowe, 1994). Elementy stężeń poprzecznych, zwanych potocznie rozpórkami, wykonuje się z kątowników stalowych o szerokości półek nie mniejszej niż 1/25 ich ługości. Stężenia poprzeczne wykonuje się jako kratownice płaskie skłaające się z wóch pasów (górnego i olnego) oraz zastrzałów. Stężenia skrajne rozmiesza się w oległości około 0,70 m o końca źwigarów, a stężenia pośrenie w oległościach nie mniejszych niż 15 szerokości półki źwigara. Mocowanie stężeń poprzecznych o źwigarów głównych możliwe jest zięki przyspawaniu o śroników tych źwigarów ocinków kątowników stalowych o szerokości półki poziomej nie mniejszej niż 100 mm, przyjmując jenocześnie, że ługość ocinków kątowników górnych wynosi 300 mm, a olnych 150 mm. Stężenia montuje się o źwigarów głównych z zastosowaniem śrub o śrenicy minimum 16 mm (Mosty wojskowe, 1994). Liczbę stężeń poprzecznych przy konstruowaniu przęsła mostów niskowonych określa się ze wzorów empirycznych, które uzależniają ich liczbę o ługości przęsła oraz rozaju zastosowanego typu kształtownika (Mosty wojskowe, 1994): lt 1,0m n p 1 (1) b b 15s (2) gzie: n p oznacza liczbę stężeń poprzecznych, l t to rozpiętość teoretyczną przęsła w m, b to rozstaw stężeń poprzecznych w m, natomiast s to szerokość pasa kształtownika w m. W poręczniku tym nie poano natomiast wytycznych otyczących zastosowania połączeń śrubowych w przypaku wykorzystania jako stężeń poprzecznych pojeynczych ceowników i wuteowników stalowych (tak zwanych belek poprzecznych). Jest to o tyle istotne, że tego typu rozwiązania stosowane są w rozwiązaniach Autor opowiezialny za koresponencję. auchaczek@poczta.wp.pl 207

13 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) konstrukcyjnych rzeczywistych obiektów mostowych (Kamyk i Duchaczek, 1998; Hołowaty, 2003; Ryżyński i in., 1984). Na rysunku 1 zaprezentowano trzy sposoby połączenia belek poprzecznych z źwigarami głównymi za pomocą śrub. a) b) poprzeczna wuteownikiem stalowym typu HEB naaje połączeniu użą sztywność (Mańko i in., 2001; Kamyk i in., 2003). Połączenia śrubowe zaprezentowane na rysunku 1b i c, w porównaniu o wcześniej omówionego połączenia, nie są na pewno połączeniami tak sztywnymi. Biorąc po uwagę, że omawiane belki poprzeczne nie mają bezpośreniego kontaktu ze śronikiem źwigara głównego (rys. 2) można przyjąć, że w obliczeniach numerycznych tego typu połączenie nie powinno być traktowane jak iealnie sztywne, a jako tak zwane połączenie poatne. Problematyka poatności tego typu węzłów, a w szczególności w ramach o konstrukcji słupowo-ryglowej i prętowo-cięgnowej, była poruszana już w wielu pracach (Bróka i Kozłowski, 1996; Bróka i in., 2004; Giżejowski i in., 2009). Aktualnie zięki szybkiemu rozwojowi meto obliczeniowych i zastosowaniu oprogramowania komputerowego analiza konstrukcji z węzłami poatnymi jest możliwa poprzez zastosowanie współczynników opisujących stopień zwolnienia tych połączeń (Instrukcja, 2009). a) c) b) Rys. 1. Połączenia śrubowe belek poprzecznych z źwigarami głównymi w przypaku zastosowania: a) blachy czołowej przyspawanej o belki poprzecznej (Mańko i in., 2001), b) kątowników przyspawanych o źwigarów głównych, c) belek poprzecznych montowanych o żeber usztywniających śronik źwigara głównego Zaprezentowane na rysunku 1a połączenie śrubowe jest połączeniem sztywnym. Zastosowana w tym połączeniu blacha czołowa oraz cztery śruby śrenicy około 20 mm w połączeniu z wykorzystanym jako belka Rys. 2. Wiok rusztu stalowego wykonanego z zastosowaniem połączeń śrubowych w przypaku: a) kątowników przyspawanych o źwigarów głównych, b) belek poprzecznych montowanych o żeber usztywniających śronik źwigara głównego Analizując belki poprzeczne zaprezentowane na rysunku 2 można mieć również wątpliwości, czy zastosowane ość wiotkie (mało sztywne) w stosunku o źwigarów głównych belki poprzeczne są w stanie w zaowalający sposób rozłożyć obciążenie na wszystkie źwigary znajujące się w przęśle (Duchaczek, 2015). Oczywiście w przypaku zaprezentowanym na rysunku 2 zaanie to spoczywa przee wszystkim na betonowej 208

14 Artur DUCHACZEK płycie pomostu grubości około 30 cm. Nasuwa się jenak pytanie, jak sztywne powinny być stalowe belki poprzeczne w przypaku zastosowania w tego typu ruszcie pokłau rewnianego, który jest rozwiązaniem najbarziej uniwersalnym, w przypaku zastosowań stricte militarnych. Na rysunku 3 zaprezentowano przykła takiego właśnie mostu, ale tylko z pojeynczym pokłaem poprzecznym, co jest rozwiązaniem mało praktycznym w przypaku przemieszczania się po nim ciężkiego obciążenia gąsienicowego. a) b) Rys. 3. Wiok przęsła mostu niskowonego z pojeynczym rewnianym pokłaem poprzecznym (Żurawik, 2015): a) z boku, b) o przou Z tego też wzglęu w niniejszej pracy przeanalizowano wpływ zarówno zmiany sztywności przyjętych w obliczeniach numerycznych połączeń montażowych, jak i sztywności samych belek poprzecznych na rozkła naprężeń w źwigarach głównych wojskowych mostów niskowonych. 2. Konstrukcja mostu niskowonego przyjęta o analiz numerycznych i jej obciążenie Duchaczek (2015) okonał analizy postawowych parametrów określających gabaryty czołgów bęących na wyposażeniu wojska polskiego. Z analizy tych anych wynika, że masa bojowa omawianych pojazów mieści się mięzy 36,50-59,50 tony. Analizując następnie masę pojazów normowych zaprezentowanych w STANAG-u 2021 (Stanag, 2006) uznano, że pojazy bęące na wyposażeniu polskich sił zbrojnych mają zbliżone gabaryty o pojazów klasy MLC40-MLC70. Jako obciążenie obliczeniowe przyjęto zatem obciążenie gąsienicowe klasy MLC70. Pojazy tej klasy charakteryzują się masą całkowitą 63,50 tony, szerokością pojazu (na wysokości gąsienic) 3,51 m, szerokością gąsienic 0,79 m i ługością przylegania gąsienicy równą 4,57 m (Stanag, 2006). Przeprawa pojazów zarówno kołowych, jak i gąsienicowych po obiektach mostowych uregulowana jest również zapisami STANAG-u 2021, w którym to okumencie określono minimalną wymaganą szerokość jezni, po której mają się przeprawiać pojazy opowienich klas. Uwzglęniając fakt, że w warunkach wojennych, jak i sytuacjach kryzysowych mosty niskowone lepiej wykonywać jako przejścia jenokierunkowe uznano, że najczęściej wykonywanym obiektem mostowym bęę mosty jenokierunkowe o szerokości 4,00 m (Duchaczek, 2015). Uwzglęniając powyższe w niniejszej pracy o alszych analiz przyjęto przęsło skłaające się z sześciu źwigarów głównych wykonanych z wuteowników stalowych INP 400 o ługości 14 m i szerokości jezni równej 4,00 m. Belki poprzeczne wykonano z trzech rozajów popularnych kształtowników stalowych, a mianowicie ceowników oraz wuteowników normalnych i szerokostopowych. Kształtowniki te charakteryzowały się wysokością profilu poprzecznego wynoszącą 180, 200 i 220 mm, to znaczy ich wysokość oscylowała wokół połowy wysokość przyjętych źwigarów głównych. Pokła rewniany skłaał się z wóch warstw esek o grubości 5 cm ułożonych prostopale o siebie. Utworzony w ten sposób pokła poprzeczny i pokła ochronny połączono za pomocą gwoźzi, tworząc przez to jenolitą rewnianą płytę (rys. 4). W warunkach wojennych stanarowo w mostach niskowonych montowany bęzie pokła rewnianych, mocowanych przy użyciu rewnianych krawężników i śrub krawężnikowych o skrajnych źwigarów głównych. Można zatem uznać, że pokła ten nie współpracuje w sposób bezpośreni (brak bezpośreniego mocowania) z wszystkimi źwigarami głównymi, a uczestniczy tylko w rozziale i przekazaniu obciążenia (pojazu gąsienicowego klasy MLC70) na wszystkie źwigary główne x Rys. 4. Przekrój poprzeczny analizowanego przęsła mostu niskowonego (wymiary w mm) 209

15 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) Moelowanie i obliczenia Obliczenia numeryczne wykonano w programie Autoesk Robot Structural Analysis Professional. Przęsło mostu niskowonego zostało zamoelowane jako konstrukcja prętowo-powłokowa (Instrukcja, 2009). Przy czym, stalowa konstrukcja nośna została zamoelowana jako ruszt przy wykorzystaniu 2-węzłowych prętowych elementów skończonych. Zarówno źwigary główne, jak i belki poprzeczne zamoelowano jako kształtowniki stalowe (Duchaczek, 2015). Do obliczeń numerycznych przyjęto, że wszystkie kształtowniki zostały wykonane ze stali gatunku S355 (mouł Younga E = 210 GPa, mouł Kirchoffa G = 81 GPa, ciężar właściwy γ = 77,01 kn/m 3 ). Pokła został zamoelowany jako jeen panel o grubości 10 cm (Instrukcja, 2009). W procesie yskretyzacji pokłau wykorzystano metoę siatkowania Coons z zastosowaniem czworokątnych 4-węzłowych elementów powierzchniowych o rozmiarze 10 cm, przez co konstrukcja pokłau zawierała w zależności o rozaju obciążenia o 5701 o 5834 węzłów (rys. 5). Płytę pomostu zamoelowano z rewna klasy C14 (mouł Younga E = 7000 MPa, mouł Kirchoffa G = 3500 MPa, ciężar właściwy γ = 2,84 kn/m 3 ). W obliczeniach numerycznych moel materiału płyty rewnianej przyjęto jako materiał jenorony, pomimo że pomost skłaał z wóch warstw elementów rewnianych usytuowanych ortogonalnie, połączonych jenak ze sobą przy użyciu znacznej liczby gwoźzi. Przyjęcie o obliczeń materiału jenoronego powoowało zwiększenie sztywności analizowanego pokłau przy zginaniu zarówno w kierunku połużnym, jak i poprzecznym. W praktyce inżynierskiej barzo rzako jenak wykonywane są konstrukcje mostów niskowonych o minimalnych opuszczalnych wysokościach pokłau zarówno porzecznego, jak i ochronnego. Płyty pokłau rewnianego wykonywane są zatem zazwyczaj o znacznie większych wysokościach niż 10 cm, stą przyjęte oatkowe usztywnienie płyty pokłau rewnianego o wysokości tylko 10 cm nie powinno mieć ecyującego wpływu na ogólne wnioski wyciągnięte z uzyskanych wyników obliczeń numerycznych. W obliczeniach numerycznych wykorzystano pojaz gąsienicowy klasy MLC70 moelując go jako obciążenie symetryczne (G1) i niesymetryczne (G2), przy uwzglęnieniu niewielkiego w tym przypaku mimośrou wynikającego z różnicy szerokości jezni i pojazu. Na rysunku 5 przestawiono jeen z wybranych moeli obliczeniowych przęsła mostu niskowonego wykorzystywanych w analizach numerycznych. W obliczeniach nie uwzglęniono obciążeń śroowiskowych, takich jak wiatr i śnieg. W obliczeniach numerycznych wykorzystano opcję tak zwanego obciążenia ruchomego, w której określano parametry pojazu oraz rogę jego przemieszczania się po analizowanej konstrukcji, oznaczoną na rysunku 5b jaśniejszą linią prostą przebiegającą wzłuż pokłau rewnianego. Do konstrukcji prętowych typu ruszt można przykłaać obciążenia pojazem gąsienicowym zefiniowanym jako obciążenie ciągłe liniowe (Instrukcja, 2009). a) b) c) ) Rys. 5. Moele obliczenowe:a) Schemat obciążenia gąsienicowego klasy MLC70 (Stanag, 2006), b) wiok moelu obliczeniowego przęsła mostu niskowonego przy obciążeniu gąsienicowym niesymetrycznym G2, c) rusztu wykonanego z kształtowników stalowych, ) lokalizacji pokłau rewnianego w przyjętym moelu obliczeniowym w stosunku o kształtowników stalowych 210

16 Artur DUCHACZEK W przypaku analizy konstrukcji mieszanych typu prętowo-powłokowych pojazy gąsienicowe można moelować również za pomocą obciążenia powierzchniowego. Obciążenie to przykłaane jest o panelu jako obciążenie konturowe. Jenak jak poano w instrukcji obsługi programu, korzystając z tego typu obciążenia należy zwracać szczególną uwagę na to, w którym miejscu zostanie przyłożone obciążenie (Instrukcja, 2009). Wynika to z faktu, że obciążenie to jest generowane na każym panelu, który znajuje się w obrębie rzutu konturu obciążenia. Zatem w przypaku większej liczby paneli, aby obciążenie było przyłożone tylko na wybrane panele, należy wykorzystać opcje selekcji w efinicji przypaku obciążenia ruchomego (Instrukcja, 2009). W analizowanym przypaku nie było to jenak konieczne ponieważ w moelu obliczeniowym wykorzystywany był tylko jeen panel, którym zamoelowano cały pokła rewniany. W przypaku obliczeniowym analizowanym w niniejszej pracy (moel prętowo-powłokowy) obciążenie przekazywane było na pokła rewniany, a stą opiero na źwigary stalowe. Aby natomiast obciążenie pojazem gąsienicowym było przykłaane bezpośrenio na pręty, należałoby o moelowania pojazu wykorzystywać siły skupione, i taki przykła moelowania pojazów został zaprezentowany już we wcześniejszej pracy autora (Duchaczek, 2015). Korzystając z opcji obciążenia ruchomego można uzyskać oatkowe przypaki tego obciążenia oznaczone symbolami + i -, które określają wartości la obwieni opowienio górnej i olnej. W niniejszych analizach uwzglęniano tylko wartości maksymalnych naprężeń normalnych w źwigarach głównych oczytywane z obwieni górnej ( + ) (Instrukcja, 2009). 4. Wpływ sztywności belek poprzecznych na wartość maksymalnych naprężeń normalnych w źwigarach głównych W pierwszym etapie baań przeanalizowano wpływ sztywności belek poprzecznych na rozkła naprężeń normalnych w źwigarach głównych mostów niskowonych. Na tym etapie baań o analiz numerycznych przyjęto belki poprzeczne wykonane z trzech rozajów popularnych kształtowników stalowych. W tabeli 1 przestawiono zestawienie parametrów wytrzymałościowych analizowanych kształtowników stalowych wykorzystanych o moelowania belek poprzecznych weług PN-91/H Stal. Dwuteowniki walcowane na gorąco. Parametrem wpływającym w największym stopniu na nośność źwigarów stalowych są ich wskaźniki wytrzymałości na zginanie W x i W y. Uwzglęniając natomiast położenie źwigarów w ruszcie należy stwierzić, że szczególne znaczenie ma wskaźnik wytrzymałości na zginanie W x. Uwzglęniając ane zaprezentowane w tabeli 1 można stwierzić, że wzrost wysokości kształtowników w każej z trzech grup o 20 mm powouje przyrost wartości wskaźników wytrzymałości na zginanie W x na poziomie 30%. Maksymalna różnica wartości wskaźników na zginanie W x występuje la kształtowników C180 i HEB220. W analizowanym przypaku kształtownik szerokostopowy ma niemalże pięciokrotnie większą nośność niż ceownik normalny. Przyjmując, że sztywność pręta określa się iloczynem jego momentu bezwłaności I x i moułu Younga E, można również stwierzić, że belki poprzeczne wykonane z kształtowników HEB220 mają niemal sześciokrotnie większą sztywność niż belki poprzeczne wykonane z kształtowników C180. W tabelach 2, 3 i 4 zaprezentowano wyniki obliczeń numerycznych la wybranych moeli obliczeniowych, prezentując w nich wartości naprężeń zarówno la źwigarów głównych, jak i pokłau rewnianego. W tabeli 2 zaprezentowano wartości naprężeń pochozące tylko o ciężaru własnego konstrukcji, w tabeli 3 o obciążenia symetrycznego G1 (pojaz gąsienicowy MLC70 zlokalizowany na śroku przekroju poprzecznego przęsła), natomiast w tabeli 4 o obciążenia niesymetrycznego G2 (pojaz gąsienicowy MLC70 zlokalizowany przy krawężniku). Tab. 1. Zastawienie parametrów wytrzymałościowych kształtowników stalowych przyjętych o obliczeń numerycznych weług PN-91/H Kształtownik Ceowniki normalne Dwuteowniki normalne Dwuteowniki szerokostopowe Pole przekroju A [cm 2 ] Ciężar g [kg/m] Moment bezwłaności [cm 4 ] Wskaźnik przekroju na zginanie [cm 3 ] Ix Iy Wx Wy C180 28,00 22, ,00 114,00 150,00 22,40 C200 32,20 25, ,00 148,00 191,00 27,00 C220 37,40 29, ,00 197,00 245,00 33,60 IPN180 27,90 21, ,00 81,30 161,00 19,80 IPN200 33,50 26, ,00 117,00 214,00 26,00 IPN220 39,60 31, ,00 162,00 278,00 33,10 HEB180 65,30 51, , ,00 426,00 151,00 HEB200 78,10 61, , ,00 570,00 200,00 HEB220 91,00 71, , ,00 736,00 258,00 211

17 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) Tab. 2. Wartość naprężeń w wybranych elementach konstrukcyjnych przęsła mostu niskowonego pochozących o ciężaru własnego konstrukcji Nazwa kształtownika Maksymalne naprężenia normalne w źwigarze [MPa] najmniej obciążonym najbarziej obciążonym Naprężenia zreukowane w płycie [MPa] C ,28 16,52 0,14 C ,42 16,60 0,14 C ,58 16,71 0,14 INP ,28 16,52 0,14 INP ,46 16,63 0,14 INP ,64 16,76 0,14 HEB ,10 17,40 0,15 HEB ,66 17,70 0,15 HEB ,94 18,01 0,15 Tab. 3. Wartość naprężeń w wybranych elementach konstrukcyjnych przęsła mostu niskowonego pochozących o obciążenia symetrycznego G1 Nazwa kształtownika Maksymalne naprężenia normalne w źwigarze [MPa] najmniej obciążonym najbarziej obciążonym Naprężenia zreukowane w płycie [MPa] C ,64 195,66 3,14 C ,89 195,95 2,78 C ,99 196,20 3,03 INP ,11 195,72 3,07 INP ,61 196,61 2,97 INP ,15 196,27 3,11 HEB ,94 196,38 3,24 HEB ,70 196,51 3,43 HEB ,54 197,11 3,57 Tab. 4. Wartość naprężeń w wybranych elementach konstrukcyjnych przęsła mostu niskowonego pochozących o obciążenie niesymetrycznego G2 Nazwa kształtownika Maksymalne naprężenia normalne w źwigarze [MPa] najmniej obciążonym najbarziej obciążonym Naprężenia zreukowane w płycie [MPa] C ,39 241,70 4,66 C ,16 240,83 3,83 C ,90 239,93 3,84 INP ,55 241,52 4,66 INP ,41 240,53 4,68 INP ,17 239,58 4,68 HEB ,64 238,96 4,69 HEB ,37 237,91 4,69 HEB ,90 237,03 4,68 212

18 Artur DUCHACZEK W przypaku źwigarów głównych w tabelach 2-4 poawano wartości maksymalnych naprężeń normalnych w źwigarze najbarziej i najmniej wytężonym (rys. 6). Natomiast w przypaku pokłau rewnianego poawano tylko wartości naprężeń zreukowanych weług hipotezy Hubera-Misesa (Instrukcja, 2009): ( x y) ( y z) ( z x) zre 3( xy yz zx ) (3) 2 które w przypaku elementów powłokowych przyjmują postać (Instrukcja, 2009): a) b) ( x y) x y 2 zre 3 xy 2 (4) Rys. 6. Graficzna interpretacja wyników analizy numerycznej w formie: a) wykresów maksymalnych naprężeń normalnych w MPa na prętach la elementów rusztu stalowego, b) mapy naprężeń zreukowanych w MPa la pokłau rewnianego, pochozących o obciążenie niesymetrycznego G2 la moelu obliczeniowego z belkami poprzecznymi wykonanymi z wuteowników szerokostopowych HEB200 W niniejszej pracy nie przestawiono zestawienia wyników analizy wartości naprężeń normalnych w belkach poprzecznych w zależności o rozaju kształtownika z jakiego zostały wykonane. We wszystkich przypakach obliczeniowych wartości naprężeń normalnych w belkach poprzecznych były jenak mniejsze o naprężeń normalnych w źwigarach głównych. Zgonie z oczekiwaniami wartość tych naprężeń była owrotnie proporcjonalna o wartości wskaźnika przekroju na zginanie W x la anej belki (Duchaczek, 2015). Z analizy wyników zaprezentowanych w tabelach 2, 3 i 4 wynika, że w przypaku analizowanej konstrukcji mostu niskowonego sztywność belek poprzecznych miała znikomy wpływ ma rozkła naprężeń normalnych w źwigarach głównych. Można zatem przyjąć, że przyjęty o obliczeń 10 cm pokła rewniany w opowieni sposób rozzielał obciążenie na sąsiaujące w niewielkiej oległości źwigary główne. Przyjmowanie o obliczeń mniejszych grubości pokłau rewnianego nie powinno być realizowane, ze wzglęu na fakt, że pokła rewniany jest zawsze określany ze wzglęu na wartości obciążenia kołowego, a nie gąsienicowego. Minimalna wysokość pokłau poprzecznego powinna wynosić 5 cm, natomiast pokłau ochronnego 4-5 cm, co w sumie aje 9-10 cm (Mosty wojskowe, 1994). 5. Wpływ zmiany sztywności połączeń montażowych na rozkła naprężeń normalnych w źwigarach głównych W rugim etapie baań przeanalizowano wpływ sztywności połączeń montażowych na rozkła naprężeń normalnych w źwigarach głównych. Na tym etapie baań w analizach numerycznych wykorzystano tylko belki poprzeczne zamoelowane z ceowników normalnych o wysokości 180 mm. W programie Autoesk Robot Structural Analysis Professional zaimplementowany został algorytm DSC umożliwiający obliczanie konstrukcji ze zwolnieniami (Instrukcja, 2009). Zastosowanie elementu DSC umożliwia efinicję tak zwanych zwolnień sprężystych w elementach prętowych (rys. 7). Dla pręta, la którego został zefiniowany typ analizy z tego typu zwolnieniami wykonywane są oatkowo trzy operacje. Po pierwsze poczas przygotowywania konstrukcji generowany jest nowy węzeł. Następnie nowo powstały węzeł zastępuje w rozpatrywanym elemencie prętowym węzeł stary, który pozostaje przeniesiony o innego elementu konstrukcyjnego. Końcowa operacja polega na wprowazeniu mięzy starym i nowym węzłem elementu DSC. Dokłane informacje otyczące właściwości elementu DSC znajują się w plikach pomocy programu (Instrukcja, 2009). stary węzeł element prętowy DSC nowy węzeł Rys. 7. Element DSC wykorzystywany w programie Autoesk Robot Structural Analysis Professional (Instrukcja, 2009) Prowaząc obliczenia skorzystano z opcji częściowego współczynnika sztywności ostępnej na zakłace Zwolnień z menu Geometria (Instrukcja, 2009). Wartości współczynników reukujących sztywność można przyjmować z zakresu o 0,00 la pełnego zwolnienia o 1,00 la całkowitego braku zwolnienia. Zatem wartość sztywności elementu mnożona jest przez przyjętą wartości częściowego współczynnika sztywności na opowienim końcu pręta. 213

19 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) W tabelach 5, 6 i 7 zaprezentowano wyniki obliczeń numerycznych przęsła mostu niskowonego (rys. 4 b-) po obciążeniem gąsienicowym klasy MLC70 (rys. 4a) z uwzglęnieniem różnych moeli połączeń elementów stalowych. W analizach numerycznych uwzglęniono sześć rozajów połączeń, to znaczy połączenie sztywne, zwolnienie całkowite (to jest połączenie przegubowe) oraz 20, 40, 60 i 80 procentowe zwolnienie z wykorzystaniem współczynników reukujących sztywność ostępnych w programie firmy Autoesk (Instrukcja, 2009). W tabelach tych zaprezentowano wartości naprężeń w wybranych elementach konstrukcyjnych przęsła mostu niskowonego pochozących o ciężaru własnego konstrukcji (tabela 5), o obciążenia pojazem gąsienicowym MLC70 zlokalizowanym na śroku przęsła (tabela 6) oraz o obciążenia pojazem gąsienicowym MLC70 zlokalizowanym przy krawężniku (tabela 7). Z analizy wyników zaprezentowanych w tabelach 5, 6 i 7 wynika, że w przypaku analizowanej konstrukcji mostu niskowonego sposób połączenia belek poprzecznych z źwigarami miał również nieznaczny wpływ ma rozkła naprężeń normalnych w źwigarach głównych. Można zatem przyjąć, że poobnie jak we wcześniejszych obliczeniach przyjęty o obliczeń 10 cm pokła rewniany w opowieni sposób rozzielał obciążenie na sąsiaujące źwigary główne. Tab. 5. Wartość naprężeń w wybranych elementach konstrukcyjnych przęsła mostu niskowonego pochozących o ciężaru własnego konstrukcji la rozpórek wykonanych z kształtownika C180 Rozaj połączenia Maksymalne naprężenia normalne w źwigarze [MPa] najmniej obciążonym najbarziej obciążonym Naprężenia zreukowane w płycie [MPa] Zwolnienie całkowite 16,16 16,65 0,20 80% zwolnienia 16,20 16,61 0,15 60% zwolnienia 16,23 16,58 0,15 40% zwolnienia 16,25 16,55 0,14 20% zwolnienia 16,27 16,54 0,14 Połączenie sztywne 16,28 16,52 0,14 Tab. 6. Wartość naprężeń w wybranych elementach konstrukcyjnych przęsła mostu niskowonego pochozących o obciążenia symetrycznego G1 la rozpórek wykonanych z kształtownika C180 Rozaj połączenia Maksymalne naprężenia normalne w źwigarze [MPa] najmniej obciążonym najbarziej obciążonym Naprężenia zreukowane w płycie [MPa] Zwolnienie całkowite 176,82 198,83 15,89 80% zwolnienia 179,88 195,94 11,42 60% zwolnienia 182,43 195,20 8,31 40% zwolnienia 184,58 195,19 6,03 20% zwolnienia 186,27 195,44 4,30 Połączenie sztywne 187,64 195,66 3,14 Tab. 7. Wartość naprężeń w wybranych elementach konstrukcyjnych przęsła mostu niskowonego pochozących o obciążenia niesymetrycznego G2 la rozpórek wykonanych z kształtownika C180 Rozaj połączenia Maksymalne naprężenia normalne w źwigarze [MPa] najmniej obciążonym najbarziej obciążonym Naprężenia zreukowane w płycie [MPa] Zwolnienie całkowite 147,26 244,92 22,45 80% zwolnienia 148,21 243,66 15,82 60% zwolnienia 148,94 242,89 11,37 40% zwolnienia 149,52 242,37 8,09 20% zwolnienia 149,99 241,99 5,62 Połączenie sztywne 150,39 241,70 4,66 214

20 Artur DUCHACZEK Należy jenak stwierzić, że przeprowazone analizy wykazały barzo uży wpływ sposobu moelowania połączeń w ruszcie stalowym na rozkła naprężeń w zamoelowanej płycie rewnianej. W przypaku przęsła, w którym występują połączenia przegubowe (całkowite zwolnienie), naprężenia zreukowane przekraczały blisko pięciokrotnie wartość naprężeń w porównaniu z rusztem ze sztywnymi połączeniami. 6. Posumowanie W przypaku analizowanej konstrukcji mostu zarówno sztywność belek poprzecznych (przy ustalonej ich wysokości), jak i sposób ich połączenia z źwigarami miała nieznaczny wpływ ma rozkła naprężeń normalnych w źwigarach głównych. Można zatem stwierzić, że w przypaku źwigarów głównych wykonanych z wuteowników stalowych o wysokości 400 mm, przy założeniu, że ich rozstaw nie przekracza oległości 0,80 m, stosowanie belek poprzecznych z kształtowników stalowych o wysokości zbliżonej o wartości połowy wysokości źwigara głównego jest zupełnie wystarczające. Na wyniki obliczeń numerycznych niewątpliwy wpływ miał przyjęty moel obliczeniowy konstrukcji nośnej rusztu. W prezentowanym moelu obliczeniowym rewniana płyta pomostu znajowała się w osi obojętnej kształtowników stalowych tworzących ruszt. Należy sązić, że zaistniała sytuacja powoowała wystąpienie pewnych niezgoności w porównaniu z wartościami naprężeń występującymi w rzeczywistej konstrukcji nośnej mostu niskowonego. Istniejące wyniki baań laboratoryjnych (Duchaczek i Mańko, 2009 i 2010) i poligonowych (Mańko i in., 2001) potwierzają, że w belce zginanej wartość naprężeń normalnych w olnych włóknach rozciąganych nie są iealnie równe wartości naprężeń normalnych w górnych włóknach ściskanych. Przy założeniu chociażby minimalnej współpracy pokłau rewnianego z źwigarami stalowymi pokła leżący na źwigarach głównych wpływa na zmianę wskaźnika przekroju na zginanie całego przekroju przęsła mostu niskowonego powoując w olnych włóknach rozciąganych źwigarów głównych naprężenia większe niż we włóknach górnych ściskanych. Wyaje się zatem, że przyjęty prętowo-powłokowy moel obliczeniowy przęsła mostu niskowonego nie oawał w iealny sposób charakteru pracy rzeczywistej konstrukcji. Moel ten jest na pewno wystarczający w przypaku określania ogólnej nośności źwigarów głównych w mostach niskowonych po obciążeniem ruchomym. Prętowy moel rusztu stalowego uniemożliwia jenak okłaną analizę rozkłau naprężeń normalnych zarówno w źwigarach, jak i w belkach poprzecznych analizowanego przęsła, co w przypaku obliczeń zmęczeniowych otyczących rozwoju pęknięć rozchozących się o otworów montażowych jest niezbęne (Duchaczek i Mańko, 2009 i 2010). Dlatego też, celem kolejnej pracy autora bęzie przeprowazanie obliczeń la moelu obliczeniowego wykonanego tylko z powłokowych oraz objętościowych elementów skończonych. Literatura Bróka J., Kozłowski A. (1996). Sztywność i nośność węzłów poatnych. Oficyna Wyawnicza Politechniki Białostockiej. Bróka J., Barszcz A., Giżejowski M., Kozłowski A. (2004). Sztywność i nośność stalowych ram przechyłowych o węzłach poatnych. Oficyna Wyawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów. Duchaczek A., Mańko Z. (2009). Baania zmęczeniowe źwigarów stalowych stosowanych w niskowonych mostach wojskowych. Archiwum Inżynierii Ląowej Politechniki Poznańskiej, 5/2009, Duchaczek A., Mańko Z. (2010). Baania zmęczeniowe stalowego źwigara mostu wojskowego mającego szczelinę. Archiwum Inżynierii Ląowej Politechniki Poznańskiej, 8/2010, Duchaczek A. (2015). Wpływ liczby poprzecznic na rozkła naprężeń w przęsłach mostów niskowonych. Buownictwo i Architektura, 14(2), Giżejowski M., Barszcz A., Ślęczka L. (2009). Ogólne zasay projektowania ram o węzłach poatnych weług PN-EN i PN-EN Inżynieria i Buownictwo, R. 65, Nr 11, Hołowaty J. (2003). Analiza statyczna przęseł mostów objazowych. W: materiały konferencyjne Konferencji Naukowo-Technicznej Inżynieria Wojskowa Współziałanie z ukłaem pozamilitarnym w sytuacjach kryzysowych, Wrocław, Instrukcja (2009). Autoesk Robot Structural Analysis Poręcznik Użytkownika. Autoesk Inc. Kamyk Z., Duchaczek A. (1998). Wspomaganie projektowania niskowonych mostów rogowych z materiałów miejscowych. W: materiały konferencyjne X Konferencji Naukowo-Technicznej Inżynieria-Obronność- Gospoarka, Żegiestów, Kamyk Z., Zielonka M., Hałys P. (2003). Koncepcja zwiększenia efektywności buowy mostu tymczasowego przez batalion ratownictwa inżynieryjnego. Zeszyty Naukowe Pogląy i Doświaczenia, Wyższa Szkoła Oficerska Wojsk Ląowych im. gen. T. Kościuszki we Wrocławiu. Wyanie specjalne, Materiały na Konferencję Naukowo-Techniczną Inżynieria Wojskowa Współziałanie z Ukłaem Pozamilitarnym w Sytuacjach Kryzysowych, Wrocław, kwietnia 2003, Mańko Z., Kamyk Z., Zielonka M., Saowski W. (2001). Racjonalizacja wykorzystania materiałów miejscowych o buowy mostów niskowonych. Etap III. Baania poligonowe. Praca Naukowo-Baawcza WIW/439, Wyższa Szkoła Oficerska im. T. Kościuszki, Wrocław. McDonal T., Anerson-Wilk M. (2003). Low Water Stream Crossings in Iowa. A Selection an Design Guie. Iowa State University, Ames. Mosty wojskowe. Poręcznik (1994). Ministerstwo Obrony Naroowej, Szefostwo Wojsk Inżynieryjnych, Sygnatura Inż. 563/92, Warszawa, Ray J. C., Sea-Sanabria Y. (2002). Technical Commentary on FM ," Military Nonstanar Fixe Briging". Engineer Research an Development Center Vicksburg ms Geotechnical an Structures LAB. Ryżyński A., Wołowicki W., Skarzewski J., Karlikowski J. (1984). Mosty stalowe. PWN, Warszawa. 215

21 Stanag (2006). STANAG Military Loa Classification of Briges. Eition no September Żurawik R. (2015). Niepublikowane materiały yaktyczne o zajęć, uostępnione w niu r. Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) ANALYSIS OF INFLUENCE OF CROSS-BEAM SIZES AND METHODS FOR THEIR MOUNTING ON MAXIMUM VALUE OF STRESSES IN MAIN GIRDERS OF LOW-WATER BRIDGES Abstract: The military low-water briges are engineering objects esigne for short term use. This type of construction solutions also appear in civil engineering. However, in the professional literature there are not any guielines how to esign crossbeam mae of the steel beams. In this paper the impact of the crossbeams rigiity an their connections on the stress istribution in the major girers of military lowwater briges was analyse. Base on conucte calculations, it was foun that in the case main girers mae of steel I-beams (height 400 mm), provie that their spacing i not excee a istance of 0.80 m, the application of the cross-beams mae of steel sections with a height similar to the half the height of the main girer was sufficient. 216

22 WPŁYW BŁĘDÓW TERMOMODERNIZACYJNYCH BUDYNKÓW UŻYTECZNOŚCI PUBLICZNEJ NA POZIOM JAKOŚCI POWIETRZA WEWNĘTRZNEGO Ryszar Marian JANKA Wyział Przyroniczo-Techniczny, Uniwersytet Opolski, ul. R. Dmowskiego 7/9, Opole Streszczenie: Remonty obiektów użyteczności publicznej, a szczególnie buynków zabytkowych, powinny zapewniać, nie tylko poprawę ich stanu technicznego i obniżenie energochłonności, ale także stwarzać warunki o występowania w nich opowieniego poziom jakości powietrza wewnętrznego. W artykule przestawiono wyniki baań wpływu zakresu moernizacji obiektów, obciążenia osobowego, czasu przebywania osób w pomieszczenia oraz kubatury sal i rozaju stosowanego systemu wentylacji naturalnej i mechanicznej na przebieg, a także szybkość zmian stężenia itlenku węgla w powietrzu wewnętrznym. Baania te przeprowazono w ośmiu pomieszczeniach zarówno aministracyjnych, jak i auytoryjnych o różnej wielkości i przeznaczeniu w wóch wyremontowanych XIX buynkach użyteczności publicznej. Zaganie to powiązano z baaniami zmian wilgotności i temperatury powietrza. Wykazano, że przy użym obciążeniu osobowym sal już po około minutach, maksymalnie 1,5 goziny w powietrzu wewnętrznym występuje stężenie itlenku węgla pona wu i trzy krotnie wyższe o poziom progu higienicznego CO2. Słowa kluczowe: jakość powietrza wewnętrznego, stężenie itlenku węgla, wentylacja, szybkość zmian stężenia CO2. 1. Wprowazenie 1.1. Mikroklimat a wentylacja pomieszczeń Zrowie człowieka eterminowane jest przez czynniki biologiczne, chemiczne, fizyczne, psychiczne i społeczne śroowiska, stą też należy eliminować z śroowiska te czynniki i zagrożenia, które mogą oziaływać negatywnie na jego stan zrowia. Zrowie weług Światowej Organizacji Zrowia (WHO) jest stanem pełnego obrostanu fizycznego, psychicznego i społecznego (WHO, 2000; ASHRAE, 2001). Duży wpływ na stan zrowia luzi ma więc śroowisko, w którym luzie przebywają lub spęzają barzo użo czasu. Zapewnienie opowieniej jakości powietrza w omach, biurach i innych zamkniętych pomieszczeniach staje się poważnym problemem zrowotnym, szczególnie w krajach rozwiniętych, gzie luzie często spęzają pona 80-90% czasu. Na poziom oczucia komfortu klimatycznego w buynku mają wpływ zarówno czynniki związane z fizjologią, ożywianiem, psychiką człowieka, czasem pobytu w anym pomieszczeniu, jak i związane z pomieszczeniem, to jest jego wyposażeniem, jakością i rozajami użytych materiałów oraz zastosowanymi systemami wentylacyjnymi. Miarą czystości powietrza jest stopień jego zanieczyszczenia pyłami, gazami i parami, zanieczyszczeniami biologicznymi i mikrobiologicznymi (grzybami, bakteriami, wirusami) oraz substancjami promieniotwórczymi. Dążenie o obniżenia energochłonności nowo buowanych, a w szczególności już istniejących i eksploatowanych buynków, w tym buynków zabytkowych, a tym samym obniżenia emisji mięzy innymi itlenku węgla (CO 2) o atmosfery, powouje często pogorszenie jakości występującego w nich powietrza wewnętrznego. Wynika to w głównej mierze z bezmyślnego hermetyzowania buynków wybuowanych w poprzenich ziesięcioleciach, a szczególnie buowli zabytkowych poczas prac określanych jako remontowe (konserwatorskie), a nie termomoernizacyjne, co pozwala otychczas na omijanie wymogów wynikających z norm buowlanych (PN-EN 13779:2008; PN-EN 15251:2012), nie zawsze uwzglęniających najnowsze wyniki baań w zakresie oziaływania jakości powietrza wewnętrznego na stan zrowia luzi. Dotyczy to w szczególności braku zapewnienia opowieniej jakości powietrza wewnętrznego ostosowanego o wymogów higienicznych (zrowotnych) przebywających w nich osób. Postawowym błęem popełnianym przy tego typu pracach remontowych najczęściej zabytkowych buowli, jest nieopowienia kosmetyczna moernizacja istniejących w nich systemów wentylacji naturalnych, Autor opowiezialny za koresponencję. rmjanka@gmail.com 217

23 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) najczęściej grawitacyjnych lub infiltracyjnych, nie zapewniających opowieniej jakości powietrza wewnętrznego. W przypaku, gy wentylacja pomieszczeń obywa się poprzez infiltrację, to wymienia się najczęściej istniejące okna lub rzwi na stolarkę z tworzywa PCV z szybami zespolonymi wyposażonymi w nawiewniki. Z kolei w części pomieszczeń, w których stosowana jest wentylacja grawitacyjna zastępuje się ją najczęściej wentylacją mechaniczną (nawiewnowywiewną) czasami w połączeniu z wymiennikami ciepła (rekuperatorami). W obiektach zabytkowych użyteczności publicznej (na przykła w sąach) oatkowo w korytarzach buynków wstawiane są przegroy rzwi przeciwpożarowe bez zapewnienia opływu opowieniej ilości świeżego powietrza zewnętrznego o pomieszczeń o nich przylegających. Tak przeprowazone remonty moernizacje buynków oprowazają o ograniczenia w nich niezbęnej wymiany powietrza, a często powoują zakłócenie w jego obiegu. Tworzą się wówczas zamknięte, wyzielone obszary bęące swoistymi komorami gazowymi o nieopowieniej jakości powietrza wewnętrznego Wpływ itlenku węgla na funkcjonowanie organizmu luzkiego Skutkiem ograniczenia ilości powietrza zewnętrznego oprowazanego o pomieszczeń buynków, przy jenoczesnym występowaniu wewnątrz czynników szkoliwych i uciążliwych, spowouje mięzy innymi powstawanie zjawiska tak zwanego synromu chorego buynku (Sick Builing Synrome SBS), objawiającego się u ich użytkowników szeregiem nieyspozycji zrowotnych oraz chorób. Jest on także przyczyną wystąpienia mięzy innymi astmy, chorób nowotworowych, wieloczynnikowej nawrażliwości chemicznej, w tym alergii, czy tak zwanego zespołu przewlekłego zmęczenia CFS (Jankowska i Pośniak, 2009; Nantka, 2011). Jeną z głównych przyczyn występowania u luzi wymienionych powyżej olegliwości są mięzy innymi oprócz wspomnianych już zanieczyszczeń powietrza i czynników także niewłaściwe parametry powietrza (temperatura, wilgotność i prękość) oraz stężenie itlenku węgla (Greszka i in., 2002; Obwieszczenie MGPiPS, 2003, Lockwoo i in., 2009). Dorosły człowiek poczas nieaktywnego opoczynku (pozycji siezącej bez pracy) i lekkiej pracy, na przykła biurowej, wyziela CO 2 śrenio w ciągu goziny opowienio około l/h oraz l/h. Stężenie CO 2 w powietrzu wyychanym przez człowieka wynosi 4-5% (Robertson, 2006; Jankowska i Pośniak, 2009; Lockwoo i in., 2009; Nantka, 2011). Wynikający stą wzrost stężenia CO 2 w powietrzu zamkniętego pomieszczenia wzglęnie w lokalu niewentylowanym lub wentylowanym w nieostatecznym stopniu powouje barzo szybkie, kilkakrotne przekroczenie jego zawartości w powietrzu zewnętrznym osiągając poziom rzęu ppm i więcej (Nantka, 2011; Toftum i in., 2015; Zhang i in., 2016). W powietrzu zewnętrznym na obszarach wiejskich i niezamieszkałych stężenie tego gazu wynosi około ppm, a na obszarach miast i stref przemysłowych może osiągać poziom około 450 ppm, a nawet 500 ppm w zależności o lokalizacji punktów pomiaru (Greszta i in., 2002; Jankowska i Pośniak, 2009; Nantka, 2011). Taki poziom stężenia CO 2 w powietrzu nie jest szkoliwy la luzi (rys. 1), a co więcej jego obecność w atmosferze jest niezwykle ważna la właściwego funkcjonowania organizmów żywych. Zbyt wysoki poziom itlenku węgla we wychanym przez człowieka powietrzu powouje w zależności o jego stężenia, mięzy innymi, bóle głowy, zaburzenie jego koncentracji, pojawienie się senności, osłabia się słuch, zwiększa się szybkość oychania, powstają zaburzenia w równowaze kwasowo-zasaowej krwi, to jest obniżenie ph krwi, co powouje występowanie tak zwanego stresu metabolicznego (Robertson, 2006). Wpływa to z kolei na szybkość pracy serca, występują zasłabnięcia i omlenia (rys. 1). Przyczynia się o uszkozenia komórek i tkanek (nerek i wątroby). Nieopowienia jakości powietrza wewnętrznego niekorzystnie wpływa, nie tylko na samopoczucie i stan zrowia luzi przebywających w tych pomieszczeniach, ale także na ich niższą sprawność fizyczną, a więc i wyajność pracy. Wysokie stężenie itlenku węgla w powietrzu (już powyżej 1000 ppm), przy stałym, jak i ługotrwałym cyklicznym oziaływaniu, przyczynia się także o obniżenia sprawność umysłowej luzi (zolności intelektualnych) oraz koncentracji umysłowej. Długotrwałe cykliczne przybywanie w takim śroowisku powouje ponato obniżenie zolności człowieka o przyswajania sobie nowych treści oraz uczenia się, a także obniża jego zolności o wykorzystywania ostępnych informacji (Robertson, 2006; Fisk i in., 2013; Wargocki i Wyon, 2013; Janka, 2014; Toftum i in., 2015; Zhang i in., 2016). W takich warunkach spaek inteligencji mierzony wskaźnikiem IQ może już występować po przekroczeniu stężenia 1500 ppm a nawet 1000 ppm CO 2 (Robertson, 2006; Lockwoo i in., 2009; Hersoug i in., 2012; Fisk i in., 2013; Toftum i in., 2015). Przy oychaniu powietrzem zawierającym itlenek węgla na poziomie 2500 ppm obniża się także poziomu strategicznego planowania oraz inicjatyw człowieka (Fisk i in., 2013). Przy ługotrwałym i wysokim poziomie tego gazu we wychanym powietrzu następuje jego oziaływanie na pracę oreksyny, to jest hormonu regulującego procesy metaboliczne organizmu luzkiego, przyczyniając się prawopoobnie o zwiększenie apetytu oraz wzrost otyłości luzi (Rice, 2004; Hersoug, 2016). 218

24 Ryszar Marian JANKA Stężenie CO2 w powietrzu, ppm NDS Poziom higieniczny powietrza (wymóg WHO) Poziom zalecany przez ASHARE Poziom opuszczony przez CIOP Jakość i oziaływanie powietrza wewnętrznego Powietrze świeże Normalna jakość powietrza Akceptowalna jakość powietrza Powietrze niespełniające wymogów higienicznych Dobre samopoczucie Dobre samo- Górna poczucie, granica około świeżości, % poziom osób higieniczny niezaowo- powietrza lonych z jakości powietrza Duszność zakwaszenie organizmu, około 27-35% niezaowolonych osób z jakości powietrza Uczucie senności, kaszel, zaburzenia koncentracji, zasłabnięcia Negatywny wpływ na zrowie wraz ze wzrostem stężenia CO2, omlenia, stężenie CO2 powyżej 6% może prowazić o zgonu Stałe, jak i ługookresowe cykliczne oziaływanie CO2 obniża zolności intelektualne Rys.1. Zalecane poziomy stężenia CO2 w powietrzu wewnętrznym oraz ich wpływ na organizm i funkcjonowanie luzi 1.3. Jakość powietrza wewnętrznego Poziom stężenia CO 2 w powietrzu pomieszczeniu, w którym przebywają luzie nie powinien przekraczać tak zwanego wskaźnika Pettenkoffera, to jest 1000 ppm (WHO, 2000; Robertson, 2006; PN-EN13779:2008; Kaiser i Wolski, 2011; Nantka, 2011). Ten poziom stężenia itlenku węgla zapewnia uczucie komfortu i świeżości powietrza wewnętrznego (rys. 1). Jeżeli jego stężenie przekracza wartości ppm to wzrasta osetek luzi niezaowolonych z jakości powietrza wewnętrznego (Kaiser i Wolski, 2011; Nantka, 2011; Fisk i in., 2013). Także weług norm i zaleceń europejskich (stanarów UE CR EU 1752), amerykańskich (ASHARE ) oraz sformułowanych przez Światową Organizację Zrowia (WHO), a także określonych przez Szwecję, Japonię czy Kanaę opuszczalny poziom itlenku węgla występującego w powietrza wewnętrznym nie powinien przekraczać wartości ppm (0,1-0,15%) stanowiącego wymóg poziomu higienicznego (rys. 1). W Polsce nie określa się opuszczalnych stężeń itlenku węgla w powietrzu zawartym w pomieszczeniach przeznaczonych o stałego pobytu luzi, to jest zarówno buynkach użyteczności publicznej, jak i mieszkalnych. Istnieją tylko rozporzązenia otyczące opuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkoliwych w śroowisku pracy w zakłaach przemysłowych określające najwyższe opuszczalne stężenie (NDS) i najwyższe opuszczalne stężenie chwilowe NDSCh (Zarzązenie MZiOS, 1996; Rozporzązenie MPiPS, 2002 (ze zmianami z 2005) i 2010). Wartości tych wielkości wynoszą opowienio 9000 mg/m 3 (to jest około 5000 ppm przy oziaływaniu o około 8 gozin 219

25 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) ziennie) oraz mg/m 3 (przy oziaływaniu nie łużej niż 15 minut). Zła jakość powietrza wewnętrznego w obiektach buowlanych spowoowana jest mięzy innymi zbyt małą ilością powietrza zewnętrznego oprowazanego o pomieszczenia i przypaającego na jeną osobę. Wynikało to z obowiązującej jeszcze nieawno normy na przykła PN-B-03430:1983 Wentylacja w buynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania oraz rozporzązeń ministerialnych i zaleceń określających ostarczanie, na przykła 20 m 3 /(h osoba) powietrza o pomieszczeń, w których zakazane jest palenie tytoniu oraz 30 m 3 /(h osoba) o pomieszczeń klimatyzowanych oraz wentylowanych o nie otwieranych oknach. Zalecana jeszcze nieawno ilość powietrza wentylowanego, to jest 20 m 3 /(h osobę) biorąc po uwagę objętość wyzielanego śrenio CO 2 (20 l/h) przez jeną osobę w ciągu goziny przy wykonywaniu na przykła lekkiej pracy biurowej nie zapewniała opowieniej jakości powietrza wewnętrznego. Stą też wprowazono w Polsce normy PN-EN 13779:2008 Wentylacja buynków niemieszkalnych. Wymagania otyczące właściwości instalacji wentylacji i klimatyzacji i PN-EN-15251:2012 Parametry wejściowe śroowiska wewnętrznego otyczące projektowania i oceny charakterystyki energetycznej buynków, obejmujące jakość powietrza wewnętrznego, śroowisko cieplne, oświetlenie i akustykę ostosowane o zaleceń określonych w UE określające opowienio jakości powietrza wewnętrznego i strumienie powietrza zewnętrznego przypaającego na jeną osobę w pomieszczeniach przeznaczonych na pobyt luzi (tab. 1) oraz wprowazające klasyfikację i opis śroowiska wewnętrznego (tab. 2). Pomimo wprowazenie tych nowych wymogów (tab. 1) w ziałalności praktycznej z różnych wzglęów są one często ignorowane, szczególnie przy moernizacji starych oraz zabytkowych obiektów użyteczności publicznej. Zaklasyfikowanie śroowiska wewnętrznego w anym buynku o opowieniej kategorii, o I o IV (tab. 2), mięzy innymi przy przeprowazaniu ich termomoernizacji, wymaga spełnienia nie tylko opowienich wymogów otyczących wentylacji i poziomu uzyskiwanego stężenia zanieczyszczeń w pomieszczeniach, ale i wymogów klimatycznych, termicznych, oświetleniowych oraz akustycznych. Z tego też wzglęu istotne jest określenie wpływu najczęściej popełnianych błęów przy moernizacji tego typu buynków użyteczności publicznej na uzyskiwaną w nich jakość powietrza wewnętrznego oraz ilość ostarczanego powietrza wentylowanego. Tab. 1. Klasyfikacja jakości powietrza wewnętrznego oraz zalecany strumień powietrza zewnętrznego przypaającego na jeną osobę w pomieszczeniach przeznaczonych na pobyt luzi weług PN-EN 13779:2008 Kategoria Opis jakości powietrza Wartość stanarowa przyrostu stężenia CO2 w powietrzu wewnętrznym powyżej poziomu w powietrzu zewnętrznym Wartość stanarowa strumienia objętości powietrza zewnętrznego przypaającego na jeną osobę niepalącą ppm m 3 /h osoba IDA 1 Wysoka jakość powietrza IDA 2 Śrenia jakość powietrza IDA3 Umiarkowana jakość powietrza IDA4 Niska jakość powietrza Tab. 2. Klasyfikacja warunków śroowiska wewnętrznego weług PN-EN-15251:2012 Kategoria I II III IV Charakterystyka Warunki na wysokim poziomie kategoria zalecana la przestrzeni, w których przebywają osoby barzo wrażliwe na warunki śroowiska Poziom normalny kategoria zalecana la buynków nowo wznoszonych lub remontowanych Warunki na śrenim, jeszcze akceptowalnym poziomie oczekiwań kategoria może być przyjmowana la istniejących buynków Warunki nie spełniające kategorii o I o III, mogą być akceptowane, gy bęą występować w ciągu roku w ograniczonych okresach czasu 220

26 Ryszar Marian JANKA 2. Opis baanych buynków i pomieszczeń Baania wpływu stosowanego często w praktyce zakresu prac remontowych, w tym częściowej termomoernizacji buynków użyteczności publicznej sąów oraz urzęów wykonanych w technologii ceglanej na poziom zmian jakości ich powietrza wewnętrznego zostały przeprowazone w wóch zabytkowych, pięciokonygnacyjnych obiektach wolno stojących, wybuowanych w połowie XIX wieku. Buynki te osłonięte niewielką ilością rzew i krzewów są położone w oległości około m o ruchliwej ulicy. Znajują się w nich pomieszczenia aministracyjne i sale auytoryjnoszkoleniowe oraz sale rozpraw sąowych. Buynki posiaają ściany zewnętrzne o grubości rzęu 55 cm. Grubość ścian wewnętrznych przeziałowych jest rzęu cm. Proces termomoernizacji w tych obiektach obejmował przee wszystkim poprawę izolacyjności termicznej ścian zewnętrznych, zastąpienie starej rewnianych stolarki okiennej szybami zespolonymi, wyposażenie rzwi zarówno zewnętrznych, jak i wewnętrznych buynków w system uszczelek, częściową poprawę systemów wentylacyjnych w wybranych częściach obiektów oraz ostosowanie buynków o wymogów przeciwpożarowych. Poprawę izolacyjności termicznej ścian zewnętrznych uzyskano poprzez wyłożenie ścian o wewnątrz izolacją styropianową pokrytą płytami kartonowymi. Korytarze buynków saów zostały pozielony na ozielne strefy pożarowe rozzielone metalowymi, szczelnymi rzwiami przeciwpożarowymi. Pomieszczenia w baanych buynkach nie posiaały prze jak i po moernizacji jenolitego systemu wentylacji. Ponieważ są to buynki zabytkowe, stą też około 50% pomieszczeń wyposażonych było i jest naal w grawitacyjne systemy wentylacyjne, wykorzystujące o tego celu stare przewoy kominowe o przekroju cm. Część pomieszczeń zaopatrzona została w instalację wentylacyjną nawiewno-wywiewną oraz nawiewnowywiewną z ozyskiem ciepła. W buynkach znajują się także pomieszczenia aministracyjne nie posiaające żanej z wymienionych powyżej instalacji wentylacyjnych poza wentylacją naturalną. Proces wymiany powietrza w tych ostatnich pomieszczeniach obywa się nieszczelnościami, poprzez infiltracje i eksfiltrację, uchylanie okien oraz rzwi. Baane pomieszczenia miały powierzchnię 24, 36, 40 i 45 m 2 oraz wysokość o 2,6 m o 3,5 m. Każe z pomieszczeń miało o jenego o wóch okien o powierzchni opowienio 1,2 m 2 i 2,4 m 2 wyposażonych jak już wspomniano w szyby zespolone. Część pomieszczeń, w których stosowana była wentylacja grawitacyjna zaopatrzona była w nawiewniki okienne, przez które napływało powietrze w ilości o około 4 o 20 m 3 /h (w skrajnym przypaku 30 m 3 /h) przy pociśnieniu 10 Pa. Poczas przeprowazania pomiarów prękość wiatru wynosiła o 3 o 5 m/s. Strumień objętości powietrze przenikającego o pomieszczeń przez nieszczelności okien przy występujących prękościach wiatru la pojeynczego okna wynosił o 1,3 o 4,4 m 3 /h oraz powójnego o 1,9 m 3 /h o 6,4 m 3 /h. System wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej zapewniał wymianę powietrza na poziomie 36 m 3 /h. We wszystkich objętych baaniami pomieszczeniach krotności wymian powietrza, w których stosowane były naturalne systemy wentylacji były niższe o wartości 0,5 h 1, przy czym w pomieszczeniach w których wymiana powietrza obywała się na zasazie infiltracji wynosiła poniżej 0,3 h Metoa baań i aparatura baawcza Ocenę zmian jakości powietrza wewnętrznego w buynkach poanych termomoernizacji przeprowazono na postawie analizy wpływu obciążenia osobowego i stosowanych systemów wymiany powietrza w baanych pomieszczeniach w funkcji stężania itlenku węgla, wilgotności i temperatury powietrza. Baania przeprowazono poza tak zwanym sezonem grzewczym, a mianowicie w sierpniu oraz wrześniu, w ośmiu pomieszczeniach o różnej powierzchni i kubaturze w gozinach pracy urzęów, to jest o 7,30 o 15,00. Pomiary przeprowazono w pomieszczeniach o ientycznych oraz różnych obciążeniach osobowych, w których stosowane były trzy omienne systemy wentylacji, a mianowicie wentylacji grawitacyjnej, infiltracji wspomaganej okresowo chwilowym otwieraniem rzwi i okien oraz mechanicznej nawiewnowywiewnej. Punkty pomiaru stężenia itlenku węgla, wilgotności i temperatury usytuowane były w śrokowej części każego z pomieszczeń na wysokości głów pracujących urzęników, to jest około cm powyżej blatu biurka (1,10-1,15 cm o powierzchni połogi). W baanych pomieszczeniach aministracyjnych znajowało się o jenego o czterech stanowisk pracy o pełnej oraz częściowej obsazie osobowej. Z kolei w pomieszczeniach auytoryjnych poczas baań przebywało o 6 o 26 osób. Wyniki pomiarów baanych parametrów powietrza wewnętrznego były rejestrowane elektronicznie, a następnie ich wartości uśreniano la 1-4 minutowych przeziałów czasowych w zależności o rozaju i przeznaczenia pomieszczeń oraz ich obciążenia osobowego. Baania te przeprowazano w różnych niach tygoni biorąc po uwagę tryb pracy urzęów i szkolenia urzęników. Doatkowo la celów porównawczych przeprowazano także pomiary parametrów powietrza zewnętrznego prze buynkami, to jest stężenie itlenku węgla, wilgotności wzglęnej oraz temperatury i ciśnienie powietrza, na wysokości 1,5 m zgonie z rozporzązeniem Ministra Śroowiska w sprawie oceny poziomów substancji w powietrzu (Dz. U. 2012, poz. 1052). Zmierzono także prękości wiatru prze buynkiem. Wszystkie pomiary CO 2, wilgotności i temperatury powietrza prowazono miernikiem High Performance Carbon Dioxie Meter Aisko AZ umożliwiającym jenoczesny pomiar CO 2, temperatury i wilgotności wzglęnej powietrza. Aparat ten posiaa postawowy zakresie pomiarowym CO 2 wynoszący o 0 o 5000 ppm (rozszerzonym o 9999 ppm) 221

27 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) o rozzielczości 1 ppm i okłaności pomiaru 30 ppm ±5%, temperatury o zakresie o -20 o +60 C, okłaności pomiaru 0,6 C i rozzielczości 0,1 C oraz wilgotności wzglęnej powietrza o 0 o 99,9% i okłaności pomiaru ±3%. Pomiary prękości przepływającego powietrza zewnętrznego przeprowazano termoanemometrem wyposażoną w sonę skrzyełkową Kimo LV 110 o rozzielczości 0,01 m/s i okłaności pomiaru ±3% w zakresie prękości o 0,25 o 3 m/s oraz okłaności ±1% przy przepływach powietrza z prękością o 3,1 o 35 m/s. 4. Wyniki i analiza wyników baań Przeprowazone baania wykazały, że w pomieszczeniach obiektów zabytkowych w nieostatecznym stopniu wentylowanych, w których przebywają luzie, barzo szybko zmienia się zawartość itlenku węgla w powietrzu wewnętrznym. W czasie kilkuziesięciu minut przekraczany jest poziom wymogu higienicznego, to jest 1000 ppm (rys. 2-7). Jenocześnie, wraz ze wzrostem stężenia CO 2, ulega powyższeniu temperatura powietrza oraz następuje kumulacja poziomu wilgoci. Na wykresach (rys. 2-7) oprócz przebiegu zmian mierzonych wielkości (stężenia CO 2, temperatury i wilgotności powietrza) zaznaczono także kategorie jakości powietrza wewnętrznego IDA i (tab. 1) wynikające z oceny przyrostu stężenia itlenku węgla ( S CO2) w pomieszczeniu pona jego poziom w powietrzu zewnętrznym zgonie z PN-EN 13779:2008 S ico2 SzCO2 SiCO 2 (1) gzie: S ico2 jest maksymalnym poziomem stężenia CO 2 w powietrzu wewnętrznym opowiaający i-tej kategorii jakości powietrza IDA i w ppm, S ico2 jest stanarowym i-ty przyrostem stężenia CO 2 w pomieszczeniu pona jego poziom w powietrzu zewnętrznym w ppm, a S zco2 jest stężeniem CO 2 w powietrzu zewnętrznym w ppm. Śrenia stężenie itlenku węgla w powietrzu zewnętrznym prze buynkami wynosiło w sierpniu i wrześniu, opowienio 420 i 440 ppm. Poczas przeprowazania pomiarów temperatura powietrza zewnętrznego wynosiła opowienio 33 C i 24 C, a wilgotność wzglęna powietrza 44 i 49%. Przy tym samym obciążeniu czasowym i osobowym oraz wielkości pomieszczeń w tego typu obiektach użyteczności publicznej, ecyujący wpływ na poziom stężenia itlenku węgla w powietrzu wewnętrznym ma brak moyfikacji systemów wymiany powietrza, a mianowicie infiltracyjnych i grawitacyjnych (rys. 2-7). Poczas pracy umysłowej 3 osób w pomieszczeniach o powierzchni 36 m 2 (kubaturze 126 m 3 ), w których wymiana powietrza obywa się poprzez infiltrację poziom progu higienicznego stężenia CO 2 w powietrzu, to jest 1000 ppm (wskaźnik Pettenkoffera) zostaje przekroczony już po 3 gozinach (rys. 2). Przez większość czasu ich pracy powietrze w pomieszczeniu jest umiarkowanej i niskiej jakości (kategorii IDA 3 i 4). Wysoka jakość powietrza (kategorii IDA 1) występuje tylko przez okres około 2 gozin. Wzrost obciążenia osobowego takiej sali poczas na przykła szkolenia czy prowazenia rozprawy sąowej o poziomu 14 osób (rys. 3) wzglęnie 16 osób (rys. 4) w nieznacznie większym pomieszczeniu, bo o powierzchni 40 m 2 i kubaturze 140 m 3 powouje, że już po około minutach wartość wskaźnika Pettenkoffera zostaje przekroczona pona wukrotnie osiągając poziom 2400 ppm (rys. 4). Zjawisko to potęguje się, gy pomieszczenie prze jego użytkowaniem nie jest przewietrzone (rys. 3). Tak szybki wzrost stężenia CO 2 w powietrzu w baanych pomieszczeniach spowoowany jest faktem, iż poczas procesu termomoernizacji tego typu buynków główny akcent położony został, tylko na ich ociepleniu, uszczelnieniu okien i rzwi oraz wstawieniu rzwi przeciwpożarowych przy jenoczesnym ograniczeniu zakresu moernizacji systemów wentylacyjnych. Wstawienie niezbęnych na korytarzach przegró rzwi przeciwpożarowych przy jenoczesnym braku zastosowania opowieniego systemu wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej oraz należytej w ciągu nia bałości o poziom jakości powietrza wewnętrznego w tych pomieszczeniach powouje, że w anym segmencie buynku wyzielonym rzwiami przeciwpożarowymi wytwarza się komora gazowa, w której przebywający luzie już po krótkim okresie czasu, to jest około 30 minutach, oychają powietrzem zaliczanym o najniższej kategorii IDA 4. Powietrze to jest barzo złej jakości, której kategorii nie uwzglęniono już nawet w PN-EN 13779:2008. Także niska jakość powietrza wewnętrznego występuje także w pomieszczeniach, w których stosowane są systemy wentylacji grawitacyjnej. Nawet w barzo użych auytoryjnych pomieszczeniach (sąowych) występuje szybki wzrostu stężenia CO 2 w powietrzu (rys. 5 i 6). Obywająca się za pośrenictwem wóch kratek wentylacyjnych o wymiarach cm grawitacyjna wymiana powietrza w użym pomieszczeniu auytoryjnym bo o powierzchni 45 m 2 (kubaturze 157 m 3 ) przy znacznym jej obciążenia osobowym, to jest 26 osób (rys. 5) powouje, że poziom progu higienicznego CO 2 w powietrzu (1000 ppm) zostaje już przekroczony po minutach osiągając po około 100 minutach poziom 3200 ppm. Także ten system wentylacji stosowany z kolei w pomieszczeniu aministracyjnym o stosunkowo użej powierzchni bo 24 m 2 (kubaturze 62 m 3 ) oraz przy stałym 4 osobowym obciążeniu (incyentalnie 6 osób przez okres około 1 goziny) wykonujących stałą pracę umysłową, także nie zapewnia opowieniej jakości powietrza przez cały okres ich urzęowania (rys. 6). Już po około 1 gozinie stężenie CO 2 w powietrzu przekracza poziom higieniczny (1000 ppm), a po wóch gozinach w pomieszczeniu znajuje się powietrze, które zaklasyfikować należy o najniższej kategorii IDA 4. W piątej gozinie pracy 4 osobowego zespołu urzęników w pomieszczeniu o powierzchni 222

28 Ryszar Marian JANKA Stężenie CO2, ppm IDA 4 IDA 3 IDA 2 IDA I Stężenie CO2 w pow. zewnętrznym Temperatura, o C Wilgotność wzglęna, % Czas, min CO 2, temperatura, wilgotność Rys. 2. Przebieg zmian stężenia CO2 oraz temperatury i wilgotności powietrza wewnętrznego poczas pracy 3 osób w sali o powierzchni 36 m 2 (kubaturze 126 m 3 ), w której wymiana powietrza obywa się poprzez infiltrację (zamknięte okna i rzwi) Stężenie CO2, ppm IDA 4 IDA 3 Chwilowe otwarcie okien i rzwi Stężenie CO2 w pow. zewnętrznym IDA Temperatura, o C Wilgotność wzglęna, % Czas, min CO2, temperatura, wilgotność Rys. 3. Przebieg zmian stężenia CO2 oraz temperatury i wilgotności powietrza wewnętrznego poczas obecności 14 osób w sali o powierzchni 36 m 2 (kubaturze 126 m 3 ), w której wymiana powietrza obywa się poprzez infiltrację (zamknięte okna i rzwi) 223

29 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) Stężenie CO2, ppm IDA 4 Sala bez obciążenia osobowego IDA 2 Stężenie CO2 w pow. zewnętrznym Temperatura, o C Wilgotność wzglęna, % Czas, min CO 2, temperatura, wilgotność Rys. 4. Przebieg zmian stężenia CO2 oraz temperatury i wilgotności powietrza wewnętrznego poczas zajęć szkoleniowych 16 osób w sali o powierzchni 40 m 2 (kubaturze 140 m 3 ) i otwartych oknach (wentylacja poprzez infiltrację) Stężenie CO2, ppm IDA 4 IDA 1 Stężenie CO2 w pow. zewnętrznym Temperatura, o C Wilgotność wzglęna, % Czas, min CO 2, temperatura, wilgotność Rys. 5. Przebieg zmian stężenia CO2 oraz temperatury i wilgotności powietrza wewnętrznego przy obecności 26 osób w sali o powierzchni 45 m 2 (kubaturze 157 m 3 ) przy zamkniętych oknach i wyposażonej w system wentylacji grawitacyjnej 224

30 Ryszar Marian JANKA Stężenie CO2, ppm IDA 4 IDA 3 Chwilowe otwarcie rzwi Stężenie CO2 w pow. zewnętrznym IDA Temperatura, o C Wilgotność wzglęna, % Czas, min CO 2, temperatura, wilgotność Rys. 6. Wpływ pracy 4 i incyentalnie 6 osób na przebieg zmian stężenia CO2 oraz temperatury i wilgotności wzglęnej powietrza wewnętrznego w sali o powierzchni 24 m 2 (kubaturze 62 m 3 ) i zamkniętym oknie wyposażonej w system wentylacji grawitacyjnej Stężenie CO2, ppm IDA 3 IDA 1 Sala bez obciążenia osobowego Stężenie CO2 w pow. zewnętrznym Czas, min Temperatura, o C Wilgotność wzglęna, % CO 2, temperatura, wilgotność Rys. 7. Przebieg zmian stężenia CO2 oraz temperatury i wilgotności powietrza wewnętrznego poczas pracy 3, w krótkim okresie czasu 6 osób, a następnie w pustej sali o powierzchni 24 m 2 (kubaturze 62 m 3 ) wyposażonej w system wentylacji mechanicznej nawiewnowywiewnej 225

31 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) m 2 wyposażonym w system wentylacji grawitacyjnej stężenie CO 2 osiąga poziom prawie wukrotnie większy o wskaźnika Pettenkoffera, bo rzęu około 1900 ppm. Na szybkie pogorszenie jakości powietrza w baanych salach wpływa ponato ich usytuowanie. Przylegają one bowiem o korytarza zamkniętego rzwiami przeciwpożarowymi, w którym także występuje niskiej jakości powietrze. Wysoka jakość powietrza zapewniona jest natomiast w pomieszczeniu o tej samej wielkości, co w powyżej analizowanym przypaku, to jest 24 m 2 (rys. 6) i zbliżonym obciążeniu osobowym (3 osób), gy wyposażone jest ono w system wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej o wyajności 36 m 3 /h (rys. 7). Poziom stężenia itlenku węgla w powietrzu w tak wentylowanym pomieszczeniu osiąga poziom 600 ppm opiero po pona 2 gozinach. Tak więc w tej sytuacji, w pomieszczeniu występuje powietrze wysokiej jakości kategorii IDA 1 (tab. 1). Dwukrotny, chwilowy wzrost stężenie tego gazu w powietrzu o poziom około 1270 ppm wywołany jest okresowym wukrotnym wzrostem obciążenia osobowego sali, to jest z 3 o 6 osób. W zaprojektowanych (i wykonanych) systemach wentylacji mechanicznej w baanych buynkach (mięzy innymi także la wyżej wymienionego pomieszczenia) nie uwzglęniono sytuacji, że może występować okresowe zwiększanie obciążenia osobowego sal, a tym samym konieczność powyższenia strumienia objętości wentylowanego powietrza. W przypaku obiektów użyteczności publicznej takie rozwiązanie konstrukcyjne winno być obowiązkowo wprowazane w projektowanych lub moernizowanych systemach wentylacyjnych. Tego typu wymóg powinien być bezwzglęnie egzekwowany przy projektowaniu systemów wentylacji la wszystkich pomieszczeń w obiektach użyteczności publicznej, w których przyjmowani są petenci, a więc wszęzie tam, gzie występuje znaczna zmiana w czasie obciążenia osobowego sal. We wszystkich baanych pomieszczeniach i stosowanych systemach wentylacji występował niewielki w porównaniu o poziomu zamian stężenia CO 2 wzrost temperatury powietrza. W zależności o obciążenia czasowego i osobowego oraz stosowanego systemu wentylacji sali wynosił on rzęu 2-3 C maksymalnie 4 C. Znacznie większe zmiany w porównaniu z temperaturą występowały w wilgotności powietrza. Wzrost poziom wilgotności wzglęnej powietrza wynosił o 3% o 8%. 5. Posumowanie Przeprowazane remonty zabytkowych obiektów użyteczności publicznej oprócz postawowego celu jaki jest poprawa ich stanu technicznego i obniżenie energochłonności, muszą także obejmować polepszenie istniejących otychczas warunków sanitarnohigienicznych, a przee wszystkim powyższenie jakości powietrza wewnętrznego. W obiektach użyteczności publicznej, a szczególnie buynkach sąowych, zarówno w pomieszczeniach aministracyjnych, jak i auytoryjnych oraz stosowanych w nich systemach wentylacji naturalnej (grawitacyjnej i infiltracyjnej) i użym ciążeniu osobowym sal barzo szybko przekraczany jest poziom progu higienicznego CO 2 w powietrzu, to jest 1000 ppm. W salach auytoryjnych o użym obciążeniu osobowym już po czasie około min, maksymalnie 1,5 goziny, występuje stężenie itlenku węgla na poziomie rzęu 2400, a nawet 3200 ppm, a więc pona wu i trzy krotnie wyższe o poziom progu higienicznego CO 2 w powietrzu. Jakość powietrza wewnętrznego barzo szybko ulegała pogorszeniu szczególnie w pomieszczeniach o wentylacji naturalnej, osiągając w barzo krótkim okresie czasu najniższą kategorię. Proces ten pogłębia się gy pomieszczenia te mają bezpośrenie połączenie z korytarzami, w których wstawione są przegroy przeciwpożarowe, ograniczające wymianę powietrza. Systemy wentylacji w obiektach użyteczności publicznej powinny być tak zaprojektowane, by umożliwiały utrzymywanie opowieniej jakość powietrza wewnętrznego wraz ze wzrostem obciążenia osobowego pomieszczeń. Niska jakości powietrza wewnętrznego występującego w tych pomieszczeniach może wywierać negatywny wpływ na poziom jakości i wyajności pracy urzęników, pogorszenie ich konycji intelektualnej oraz stan zrowia i bezpieczeństwo przebywających tam luzi (zarówno pracowników, jak i petentów). Uwzglęniając powyższe w Polsce należy jak najszybciej określić opuszczalny, higieniczny poziom stężenie itlenku węgla w powietrzu w obiektach użyteczności publicznej, biorąc także po uwagę obiekty zabytkowe i mieszkalne Przy jego opracowywaniu należy wziąć po uwagę normy i zalecenia obowiązujące w różnych krajach europejskich, Stanach Zjenoczonych oraz Mięzynaroowej Organizacji Zrowia (WHO). Literatura ASHRAE Stanar (2001). Ventilation for acceptable inoor air quality. American society of heating, refrigerating an air conitioning engineers. Atlanta, USA. Fisk W.J., Satish U., Menell M.J., Hotchi T., Sullivan D. (2013). Is CO2 an inoor pollutant? Higher levels of CO2 may iminish ecision making performance. Lawrence Berkeley National Laboratory, Paper LBNL- 6148E. Greszta J., Gruszka A., Kowalkowska M. (2002). Wpływ emisji na ekosystem. Wy. Naukowe Śląsk, Katowice. Hersoug L.G., Sjöin A., Astrup A. (2012). A propose potential role for increasing atmospheric CO2 as a promoter of weight gain an obesity. Nutrition an Diabetes, No 2, e31. Janka R.M. (2014). Zanieczyszczenia pyłowe i gazowe. Postawy obliczania i sterowania poziomem emisji. WNT, Warszawa. Kaiser K., Wolski A. (2011). Hałas i zanieczyszczenia w wentylacji pomieszczeń. Wy. IPP MASTA. Lockwoo A.H., Welker-Hoo K., Rauch M., Gottlieb B. (2009). Coal s assault on human health. A report from physicians for social responsibility. Physicians for social responsibility, Washington, USA. Nantka M.B. (2011). Wentylacja z elementami klimatyzacji. Wy. PŚl, Gliwice. 226

32 Ryszar Marian JANKA Obwieszczenie Ministra Gospoarki, Pracy i Polityki Społecznej (2003) w sprawie ogłoszenia jenolitego tekstu rozporzązenia Ministra Pracy i Polityki Socjalnej w sprawie ogólnych przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy. Dz. U. nr 169, poz Jankowska E., Pośniak M. (re.) (2009). Zespół chorego buynku ocena parametrów śroowiska. CIOP-PIB, Warszawa. PN-83/B-03430/Az3 (2000). Wentylacja w buynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania. PN-EN (2008). Wentylacja buynków niemieszkalnych. Wymagania otyczące właściwości instalacji wentylacji i klimatyzacji. PN-EN (2012). Parametry wejściowe śroowiska wewnętrznego otyczące projektowania i oceny charakterystyki energetycznej buynków, obejmujące jakość powietrza wewnętrznego, śroowisko cieplne, oświetlenie i akustykę. Rice S.A. (2004). Human health risk assessment of CO2: Survivors of acute high-level exposure an populations sensitive to prolonge low-level exposure. In: Thir Annual Conference on Carbon Sequestration. Alexanria, Virginia, USA. 04/carbon-seq/169.pf Robertson D.S. (2006). Health effects of increase in concentration of carbon ioxie in the atmosphere. Current Science, Vol. 90, No 12, Rozporzązenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej (2002) w sprawie najwyższych opuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkoliwych la zrowia w śroowisku pracy. Dz. U. Nr 217, poz ze zm r., Dz. U. Nr 212, poz Rozporzązenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej (2010) zmieniające rozporzązenie w sprawie najwyższych opuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkoliwych la zrowia w śroowisku pracy. Dz. U. Nr 141, poz Rozporzązenie Ministra Śroowiska z nia 13 września 2012 r. w sprawie okonywania oceny poziomów substancji w powietrzu. Dz. U. 2012, poz Toftum J., Kjelsen B.U, Wargocki P., Menå H. R., Hansen E.M.N., Clausen G.(2015). Association between classroom ventilation moe an learning outcome in Danish schools. Builing an Environment, Vol. 92, Wargocki P., Wyon D.P. (2013). Proviing better thermal an air quality conitions in school classrooms woul be costeffective. Builing an Environment, Vol. 59, WHO Guieline Document (2000). Evaluation an use of epiemiological evience for environmentral health risk assessment. Worl Health Organization Regional Office for Europe, Copenhagen. Zarzązenie Ministra Zrowia i Opieki Społecznej (1996) w sprawie opuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkoliwych la zrowia, wyzielanych przez materiały buowlane, urzązenia i elementy wyposażenia w pomieszczeniach przeznaczonych na pobyt luzi. Mon. Pol. nr 19, poz Zhang X., Wargocki P., Lian Z., Thyrego C. (2016). Effects of exposure to carbon ioxie an bioeffluents on perceive air quality. Self-assesse acute health symptoms an cognitive performance. Inoor Air, E-pub ahea of print, oi: /ina IMPACT OF THERMOMODERNISATION ERRORS OF PUBLIC BUILDINGS ON THE LEVEL OF INDOOR AIR QUALITY Abstract: Renovation of public builings, especially historic builings, shoul ensure not only improve their conition an reuce the energy consumption, but also the appropriate level of inoor air quality. Inserting in the hallways of public builings fire partitions without at the same time ensuring an aequate level of air exchange affects the eterioration of inoor air quality at these facilities. They arise areas where there is inaequate quality of inoor air. Air that they breathe, both employees of the institution taking up very often important ecisions an the clients of these offices. The article presents a stuy on the impact of the scope of the moernization of selecte public facilities, passenger loa, the resience time of the meeting room an the volume an the type of ventilation system on the course an spee of changes in the concentration of carbon ioxie in the inoor air. These stuies were conucte in eight areas both aministrative an auitoriums of ifferent sizes an purposes in two renovate nineteenth century public builings. These builings are the seats of the courts. This issue is relate to research changes in humiity an air temperature. It has been shown that uner high loa passenger rooms after about minutes up to 1.5 hours in the inoor air concentration of carbon ioxie is over two an three times higher than the threshol level of the sanitary CO2. Pracę wykonano na Uniwersytecie Opolskim w ramach realizacji baań statutowych pt. Analiza jakości powietrza na obszarach silnie zurbanizowanych. Skłaam sereczne poziękowanie pani inż. Marii Berlik za znaczny wkła pracy przy przeprowazeniu baań. 227

33 CZY JEST TO PRAWDZIWA OPTYMALIZACJA PARAMETRÓW STOLARKI OKIENNEJ? Walery JEZIERSKI, Joanna BOROWSKA Wyział Buownictwa i Inżynierii Śroowiska, Politechnika Białostocka, ul. Wiejska 45A, Białystok Streszczenie: Każy buynek mieszkalny posiaa okna, jenakże są one jego najsłabszymi elementami po wzglęem izolacyjności cieplnej. Stale ąży się o tego, by bilans ciepła la stolarki buowlanej był porównywalny o tego la ścian, przy jenoczesnym spełnieniu niezbęnych wymagań. W pracy scharakteryzowano opisane otychczas w artykułach specjalistycznych próby zoptymalizowania parametrów stolarki okiennej. Dokonano ich analizy oraz oceny czy w rzeczywistości są przykłaem optymalizacji. Poane zostały również parametry, które jenoznacznie określają właściwości termoizolacyjne okien. Słowa kluczowe: optymalizacja, stolarka okienna, parametry cieplne. 1. Wprowazenie Proucenci stolarki, czy to okiennej czy rzwiowej, stale ążą o tego, by osiągnąć jak najkorzystniejsze parametry energetyczne oraz izolacyjne swoich wyrobów przy jenoczesnym wykorzystaniu ostępnych surowców, maszyn i receptur. Buując nowy om czy wymieniając okna w buynkach mieszkalnych już istniejących, inwestorzy biorą po uwagę kilka aspektów. Nowa, lepsza stolarka powinna być funkcjonalna, a także ostosowana o potrzeb zarówno estetycznych, jak i energetycznych obiorcy. Przee wszystkim zwraca się uwagę na parametry techniczne okien jako kompleksowej przegroy. Muszą one spełniać nie tylko aktualne wymagania normowe, ale przee wszystkim wymagania użytkowników, którzy chcą jak najbarziej zaoszczęzić na ogrzewaniu buynku. W artykule przestawione zostaną stanowiska różnych autorów onośnie optymalizacji parametrów stolarki okiennej w aspekcie energetycznym, a także próba określenia, czy to co autorzy nazywają optymalizacją jest nią w rzeczywistości. 2. Próby optymalizacji parametrów cieplnych stolarki okiennej Na przestrzeni ostatnich lat w czasopismach naukowych o profilu technicznym opublikowano kilka artykułów, które zaniem ich autorów otyczyły optymalizacji stolarki okiennej zarówno po wzglęem powierzchni, jak i w aspekcie energetycznym. Jenak warto skupić się na tym czy faktycznie autorzy opisywali optymalizację parametrów okien, czy tylko użyli takiej nazwy nie zawsze mając o tego słuszne postawy. Weług Słownika Języka Polskiego (PWN, 2015), optymalizacja to poszukiwanie za pomocą meto matematycznych najlepszego, ze wzglęu na wybrane kryterium, rozwiązania anego zaganienia gospoarczego, przy uwzglęnieniu określonych ograniczeń. Pierwszą publikacją, którą warto przeanalizować, jest Optymalizacja parametrów energetycznych okien (Dua, 2011). Autor stwierza, że przy wyborze okien trzeba kierować się aspektem ekonomicznym. Zaproponowana przez niego optymalizacja opiera się na bilansie energetycznym wykonanym la każej elewacji buynku orębnie, a zmiennymi parametrami są: współczynnik przenikania ciepła U oraz współczynnik transmitancji g, a także parametry klimatyczne. Weług autora optymalne okno to takie, la którego suma kosztów okna oraz eksploatacji (czyli ilości energii, która przenika przez okno przemnożona przez cenę energii) pozielona na czas kreytowania bęzie najniższa. Doatkowo autor uwzglęnia wpływ rolet zewnętrznych na wyniki start ciepła przez okno la śreniego sezonu grzewczego. Wyniki w tym aspekcie są o tyle zaskakujące, że nawet w przypaku okien nowoczesnych o niskim współczynniku przenikania ciepła przy wykorzystaniu rolet można zaoszczęzić pona 10% ciepła, które ucieka przez okno. Zaproponowana przez autora optymalizacja parametrów cieplnych okien słusznie posiaa taką nazwę, gyż zostały uwzglęnione współczynniki wpływające na izolacyjność termiczną okna (niezbęne ograniczenia) Autor opowiezialny za koresponencję. joannaborowska91@gmail.com 229

34 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) oraz okonano skomplikowanych obliczeń matematycznych o rozwiązania problemu wzglęem określonego kryterium, jakim w tym przypaku były wzglęy ekonomiczne. Jeyne, z czym można by polemizować to fakt, czy optymalizowane były, tak jak namieniono w temacie artykułu, parametry energetyczne okna czy też optymalizacji poane zostały koszty okna. Onosząc się o tego jak autor posumowuje swój wywó: / / Okno, la którego suma ta (bilans ekonomiczny przyp. J. Borowska) bęzie najmniejsza, jest optymalne, wątpliwości mogą mieć soline postawy. Następną publikacją, na która trzeba zwrócić uwagę jest Optymalizacja energetyczna okien nowych i wymienianych (Matusiak, 2011a, b, 2012) wyana w trzech częściach. Postawowym parametrem energetycznym charakteryzującym stolarkę okienną, na który zwrócono uwagę (Matusiak, 2011a), jest współczynnik przenikania ciepła U w la okna. Wyraża się on wzorem: Ag U g Af U f lg Uw Ag Af gzie: U w jest śrenim współczynnikiem przenikania ciepła okna w W/(m 2 K), U f jest współczynnikiem przenikania ciepła ramy w W/(m 2 K), U g jest śrenim współczynnikiem przenikania ciepła szyby w W/(m 2 K), ψ g jest liniowym współczynnikiem przenikania ciepła mostka cieplnego na styku szyby z ramą okna w W/(mK), przyjętym weług normy PN-EN ISO 14683:2008 Mostki cieplne w buynkach. Liniowy współczynnik przenikania ciepła. Metoy uproszczone i wartości orientacyjne, A f jest polem powierzchni ramy o współczynniku U f w m 2, A g jest polem powierzchni szyby w m 2, l g jest ługością liniowego mostka cieplnego na styku szyby z ramą w m. Optymalizacja w tej części publikacji otyczy jeynie szacunkowej kalkulacji współczynnika U w la kilku wybranych okien i porównania ich cen. Autor posumowując pisze: / / z przestawionych powyżej okien, najlepiej jest zoptymalizowane okno na parterze / /. W tym przypaku określenie optymalizacja jest użyte niewłaściwie, gyż nie można zoptymalizować okna, a jeynie parametry je charakteryzujące. Część ruga publikacji Optymalizacja energetyczna okien nowych i wymienianych (Matusiak, 2011b) onosi się o sprawzenia opłacalności wykorzystania wcześniej opisanych okien, które skłaają się z trzech zasaniczych części: szyby, ramy oraz ramki. Otrzymane wyniki oniesione zostały o obliczeń la okna referencyjnego. Zaś za postawę optymalizacji został przyjęty prosty czas zwrotu poniesionych nakłaów finansowych (SPBT). Tutaj, poobnie jak w pierwszym omawianym artykule, skupiono się na analizie ekonomicznej i optymalizacji poane zostały koszty okien, a nie tak jak zaznaczono w temacie publikacji optymalizacja miała nosić miano energetycznej. Część trzecia publikacji Optymalizacja energetyczna okien nowych i wymienianych (Matusiak, 2012) nosi tytuł Bilans energetyczny okien w sezonie grzewczym. Tutaj zasaniczy wpływ na wyniki obliczeń miały strefy g (1) klimatyczne w Polsce oraz natężenie promieniowania słonecznego la poszczególnych lokalizacji. Poniżej przestawiony został wzór o obliczania zysków energii o promieniowania słonecznego: Q C A I F F, g sol, H i i i i sh sh gl gl (2) gzie: C i jest uziałem pola powierzchni płaszczyzny szklonej o całkowitego pola powierzchni okna, jest zależny o wielkości i konstrukcji okna, a jego wartość śrenia wynosi 0,7, A i jest polem powierzchni okna lub rzwi balkonowych w świetle otworu w przegrozie w m 2, I i jest wartością energii promieniowania słonecznego w rozpatrywanym miesiącu na płaszczyznę, w której usytuowane jest okno o powierzchni A i weług anych otyczących najbliższego punktu pomiarów promieniowania słonecznego w kwh/(m 2 m-c), F sh jest czynnikiem reukcyjnym ze wzglęu na zacienienie o przegró zewnętrznych, F sh,gl jest czynnikiem reukcyjnym ze wzglęu na zacienienie la ruchomych urzązeń zacieniających, g gl jest całkowitą przepuszczalnością energii promieniowania słonecznego la przezroczystej części okna, rzwi balkonowych lub powierzchni oszklonej. Jeynie w tej części publikacji (Matysiak, 2012) autor okonał optymalizację energetyczną okien. Wynikiem jego obliczeń była suma wóch skłaników, mianowicie: zysków ciepła o nasłonecznienia i strat ciepła la okien przez przenikanie. Dokonując optymalizacji poawał zmianie parametry energetyczne, takie jak współczynnik przenikania ciepła la poszczególnych elementów okna czy współczynnik transmitancji. Jenakże nie wszystkie niezbęne parametry zostały poane analizie i nie wszystkie skłaniki zostały uwzglęnione w bilansie cieplnym, by tę próbę móc w pełni zakwalifikować jako optymalizację energetyczną stolarki okiennej. Następnym omawianym artykułem jest publikacja Optymalizacja wymiany okien z uwzglęnieniem efektu solarnego (Święcicki, 2014). Autor już w pierwszych słowach powołuje się na proceurę optymalizacyjną jaka jest zamieszczona w Rozporzązeniu Ministra Infrastruktury z 17 marca 2009 roku w sprawie szczegółowego zakresu i form auytu energetycznego oraz części auytu remontowego, wzorów kart auytu, a także algorytmu oceny opłacalności przesięwzięcia termomoernizacyjnego (Dz.U. 2009, poz. 347). Jak sama nazwa tegoż okumentu mówi, są w nim zawarte proceury onośnie sprawzenia czy ane ziałania azą efekt korzystny po wzglęem ekonomicznym. Zaproponowana w owym rozporzązeniu metoa otyczy wyboru optymalnego rozwiązania termomoernizacyjnego czego skutkiem jest wprowazanie o buynku ulepszeń, takich jak wymiana stolarki na nową, ocieplanie ścian czy innych przegró. Dokument ten nie określa w jaki sposób okonać optymalizacji parametrów energetycznych czy powierzchni stolarki okiennej. Autor przestawia wa stanowiska bilansu energetycznego przeszklenia wykorzystywanego w aktualnej proceurze 230

35 Walery JEZIERSKI, Joanna BOROWSKA optymalizacyjnej oraz poanego moyfikacji. Oba onoszą się o uzyskania określonych efektów ekonomicznych, jenakże wariant zmoyfikowany oatkowo uwzglęnia zyski ciepła o promieniowania słonecznego. Poany przez autora przykła optymalizacji otyczy wyliczenia prostego czasu zwrotu nakłaów finansowych SPBT (poobnie jak w publikacjach przytoczonych wcześniej) i nie uwzglęnia ograniczeń jakimi są parametry energetyczne stolarki okiennej. Mimo, że efekt solarny został wzięty po uwagę, to żane ze znaczących wskaźników zapewniających ochronę cieplną okien nie zostały poane analizie. Jest to zatem kolejny przykła optymalizacji ekonomicznej wymiany okien. Kolejną publikacją, jakiej nie można pominąć, jest Określenie optymalnego uziału okien w buynku mieszkalnym (Zając i Pomorski, 2015). Głównym założeniem pracy było wyliczenie energochłonności buynku mieszkalnego la zmiennych uziałów stolarki okiennej w przegroach zewnętrznych. Doatkowo, pojęta została próba optymalizacji powierzchni okien la sezonu grzewczego przy uwzglęnieniu różnych orientacji wzglęem stron świata. Nie skupiono się w tym przypaku na zmiennych parametrach cieplnych stolarki okiennej. Jeyne co ulegało zmianie to była powierzchnia okien oraz procent uziału części przezroczystej w całości okna. Artykuł można zakwalifikować jako taki, który w rzeczywistości opisuje proces optymalizacyjny, aczkolwiek owa optymalizacja otyczy jenego parametru technicznego jakim jest powierzchnia otworu okiennego w ścianie zewnętrznej buynku mieszkalnego. Ostatnią analizowaną publikacją jest Określenie optymalnego uziału powierzchni przegroy przezroczystej w całkowitej powierzchni przegroy buowlanej (Pomorski i Pietrowicz, 2010). Celem artykułu było, poobnie jak w publikacji (Zając i Pomorski, 2015), zoptymalizowanie powierzchni okien w buynku mieszkalnym. W tym artykule zostały wzięte po uwagę jenak niemal wszystkie parametry energetyczne la przegró przezroczystych. Obliczeń okonano la zmiennych wartości: współczynnika przenikania ciepła la okien oraz współczynnika przenikania ciepła la ściany. Autorzy wyrazili potrzebę wykonania alszych obliczeń uzależnionych o parametrów termicznych okien oraz usytuowania wzglęem stron świata. Mimo pojęcia wielu prób optymalizacji parametrów stolarki okiennej, o tej pory chyba nikomu nie uało się tego okonać w stu procentach. We wszystkich wymienionych w pracy publikacjach starano się osiągnąć konkretne wyniki, wszyscy autorzy je otrzymali, ale żaen z nich nie wziął po uwagę wszystkich zmiennych. Części artykułów naano nieopowienie nazwy, powołując się na wykonywanie optymalizacji, której nie przeprowazono, czy też owołując się o optymalizacji energetycznej, kiey w rzeczywistości wyliczano prosty czas zwrotu nakłaów finansowych. Można z całą pewnością stwierzić, że pełna optymalizacja parametrów energetycznych okien byłaby okonana wówczas, gyby wzięto po uwagę wszystkie niezbęne zmienne. Wśró nich byłyby parametry, takie jak: współczynnik transmitancji, uział powierzchni szklonej w całej powierzchni okna, współczynniki przenikania ciepła la ramy i szyby okna oraz powierzchnia okna. Jenak wszystkie te parametry powinny występować i ulegać zmianie wspólnie. Doatkowo trzeba zwrócić uwagę również na usytuowanie okna wzglęem stron świata, a także na mostki termiczne występujące na styku ściana rama oraz rama szklenie. Otrzymane wyniki powinny otyczyć wyłącznie bilansu cieplnego, tylko w takim przypaku można mówić o optymalizacji parametrów stolarki okiennej po wzglęem energetycznym. 3. Posumowanie W celu poprawnego zoptymalizowania parametrów cieplnych okien, należy wykonać wszystkie obliczenia prawiłowo i nie pominąć żanej zmiennej. Dokonując optymalizacji parametrów okien należy wziąć po uwagę wszystkie niezbęne parametry stolarki okiennej, a także usytuowanie buynku wzglęem stron świata i jego lokalizację. Należy także pamiętać, by opowienio opracować moel matematyczny i wykonując obliczenia opierać się na obowiązujących przepisach. Literatura Dua L. (2011). Optymalizacja parametrów energetycznych okien. Profiokno, 2/2011, Matusiak W. (2011a). Optymalizacja energetyczna okien nowych i wymienianych. Część 1. Twój Filar, 2/2011, Matusiak W. (2011b). Optymalizacja energetyczna okien nowych i wymienianych. Część 2. Szyby, profile, ramki ystansowe. Twój Filar, 4/2011, Matusiak W. (2012). Optymalizacja energetyczna okien nowych i wymienianych. Część 3. Bilans energetyczny okien w sezonie grzewczym. Twój Filar, 1/2012, Pomorski M., Pietrowicz S. (2010). Określanie optymalnego uziału powierzchni przegroy przezroczystej w całkowitej powierzchni przegroy buowlanej. Polska Energetyka Słoneczna, 2-4/2010, Rozporzązenie Ministra Infrastruktury z 17 marca 2009 roku w sprawie szczegółowego zakresu i form auytu energetycznego oraz części auytu remontowego, wzorów kart auytu, a także algorytmu oceny opłacalności przesięwzięcia termomoernizacyjnego (Dz.U. 2009, Nr 43 poz. 347). Słownik Języka Polskiego (2015). Wy. PWN, Święcicki A. (2014). Optymalizacja wymiany okien z uwzglęnieniem efektu solarnego. Materiały Buowlane, 12/2014, Zając B., Pomorski M. (2015). Określanie optymalnego uziału okien w buynku mieszkalnym. Zeszyty naukowe Politechniki Rzeszowskiej, lipiec-wrzesień 2015,

36 IS THAT A REAL OPTIMALISATION OF WINDOW PARAMETERS? Abstract: Every resiential builing has winows, however they are the weakest elements in terms of thermal insulation. It is constantly strive to ensure that the heat balance for the woowork was comparable to that of the walls, while meeting the necessary requirements. In the paper, attempts to optimize the parameters of winow woowork, escribe previously in specialist articles, were characterise, as well as the analysis an evaluations of whether, in reality they are an example of the optimalisation. There were also given inicators, which clearly control the parameters of the winows. Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016)

37 OCENA ZAWARTOŚCI METALI CIĘŻKICH W PRODUKTACH FERMENTACJI METANOWEJ BIOGAZOWNI ROLNICZEJ RYBOŁY Magalena JOKA, Ewa SZATYŁOWICZ, Piotr OFMAN Wyział Buownictwa i Inżynierii Śroowiska, Politechnika Białostocka, ul. Wiejska 45A, Białystok Streszczenie: Celem pracy było określenie zawartości form ogólnych metali ciężkich (inhibitorów procesu fermentacji metanowej) w prouktach i półprouktach fermentacji metanowej z biogazowni rolniczej w miejscowości Ryboły. Przeprowazone baania obejmują analizę wsau biogazowni po kątem form ogólnych metali (Ca, Mg, C, Cu, Pb, Zn). Baano materiał pobrany z pierwszego (fermentacja wstępna) i rugiego zbiornika fermentacyjnego oraz ze zbiornika pozostałości pofermentacyjnej. Uzyskano wysokie stężenia form ogólnych Ca i Mg w komorach fermentacyjnych i w pulpie pofermentacyjnej, co spowoowane było użyciem silnie alkalicznej wycierki ziemniaczanej jako substratu biozgazowania. Ponato zaobserwowano, że wzrost zawartości form ogólnych analizowanych pierwiastków powoowany jest zmniejszeniem zawartości suchej masy organicznej, zużytej na proukcję biogazu rolniczego. Słowa kluczowe: biogazownia rolnicza, metale ciężkie, spektrometria absorpcji atomowej. 1. Wprowazenie Fermentacja metanowa zachozi przy uziale mikroorganizmów anaerobowych, które rozkłaając substancje organiczne wytwarzają biogaz, czyli mieszaninę wóch głównych skłaników niepalnego wutlenku węgla i wysokokalorycznego metanu. Może ona przebiegać zarówno w ekosystemach naturalnych, jak i sztucznie stworzonych przez człowieka, na przykła w biogazowniach rolniczych, ale jeynie w śroowisku całkowicie pozbawionym tlenu, promieniowania słonecznego i w opowienim zakresie temperatury. Wyróżnia się tu trzy zakresy temperaturowe prowazenia procesów biozgazowania w biogazowi Ryboły realizowana jest fermentacja mezofilowa C. W celu osiągnięcia jak najwyższej efektywności energetycznej w biogazowniach rolniczych optymalizuje się proces na jak największy uzysk metanu w gazie. Cały proces fermentacji metanowej można umownie pozielić na cztery fazy: hyrolizę, kwasogenezę, octanogenezę oraz metanogenezę. Każa z nich wymaga specyficznych warunków śroowiskowych i uziału opowienich grup mikroorganizmów (Curkowski i in., 2009; Czerwińska i Kalinowska, 2014). Najpopularniejszymi i równocześnie postawowymi substratami o proukcji biogazu są opay pochozące z hoowli była, trzoy chlewnej lub robiu. Natomiast substratami uzupełniającymi są masy roślinne lub opay z zakłaów przetwórstwa spożywczego (Talarowska i in., 2011). Najczęściej materiałem roślinnym jest kukuryza, żyto, pszenżyto, rośliny bobowate. W celu zapewnienia ciągłości procesu fermentacji metanowej rośliny te są konserwowane, przechowywane oraz awkowane w postaci kiszonek. Biogazownie rolnicze wykorzystują także opay pochozące z gorzelni, browarów czy mleczarni. Skła surowców o proukcji biogazu ma znaczący wpływ na przebieg procesu fermentacji, a co za tym izie wpływa na wyajność, skła i jakość prouktów gazowych oraz pozostałości pofermentacyjnej (Rutkowski, 2011). Łączenie różnych typów substratów, celem ostarczenia niezbęnych skłaników o rozwoju mikroorganizmów uczestniczących w poszczególnych etapach fermentacji metanowej, umożliwia otrzymanie wyższych wyajności biogazu. Pozostałością po procesach zachozących w biogazowni jest tak zwany poferment (pulpa pofermentacyjna). Poferment znajuje zastosowanie o bezpośreniego nawożenia gleby lub jako wysokojakościowy materiał o przygotowania różnego rozaju kompostów (Pilarski i in., 2010). Jenym z głównych inhibitorów procesu fermentacji metanowej może być obecność metali we wsazie komór fermentacyjnych, głównie metali ciężkich (Fabbri i Mignani, 2007). Może być to w użym stopniu ograniczone poprzez stosowanie segregacji u źróła lub wybór materiałów o niskiej zawartości metali ciężkich. Nie wszystkie metale mają negatywny wpływ na proces fermentacji. Niektóre, na przykła rozpuszczalne formy Na, Mg, Ca, Fe i pierwiastki ślaowe, takie jak: Cu, Ni czy Co, są potrzebne o wzrostu mikroorganizmów przeprowazających proces fermentacji (Jęrczak, 2007). Autor opowiezialny za koresponencję. m.joka@pb.eu.pl 233

38 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) Oznaczanie zawartości metali ciężkich jest istotne, zwłaszcza gy rośliny stanowiące materiał uzupełniający o proukcji biogazu pochozą z terenów zanieczyszczonych. Wówczas w pulpie pofermentacyjnej poawanej procesowi kompostowania możliwy jest wzglęny wzrost stężenia tych metali (Jerzykiewicz, 2004). Wieza o zawartości metali w opaach, na przykła w pofermencie, jest także niezbęna przy planowaniu wykorzystania ich jako materiału organicznego o nawożenia pól uprawnych (Talarowska i in., 2011). Celem baań było określenie ilościowe zawartości wybranych metali w baanych prouktach i półprouktach procesu fermentacji metanowej z biogazowni rolniczej Ryboły. Określenie zawartości metali w poszczególnych komorach fermentacyjnych jest ość ważnym czynnikiem, ponieważ aje postawę o oskonalenia procesu z użyciem wybranych substratów lub mieszanin. 2. Materiały i metoy Baania zostały prowazone na próbkach materiałów z wóch komór fermentacyjnych (próbka 1 i 2) oraz komory pofermentacyjnej (próbka 3) z biogazowni rolniczej mieszczącej się w miejscowości Ryboły, woj. polaskie. Proukowany biogaz spalany jest w wóch silnikach kogeneracyjnych o łącznej mocy 1 MW. Energia elektryczna sprzeawana jest o lokalnej sieci energetycznej, a energia cieplna wykorzystywana na potrzeby własne biogazowni. Na rysunku 1 przestawiono schemat technologiczny biogazowni. Inwestycja została zrealizowana w latach W skła kompleksu biogazowni wchozi zbiornik zasypowy o przyjmowania substratu wraz z ukłaem przepompowującym materiał o wóch komór fermentacyjnych i komory pofermentacyjnej, ukła spalania i osiarczania powstałego biogazu. Wymiary komór fermentacyjnych i inne parametry biogazowni zamieszczone zostały w tabeli 1. Wszystkie trzy zbiorniki pełnią jenocześnie rolę magazynu biogazu (przestrzeń na substratem oraz po kopułami wykonanymi z elastycznego materiału jest wypełniona biogazem). Instalacja biogazowni jest ponato zaopatrzona w pochonię awaryjną, która spala namiar biogazu, zestaw filtrów węglowych o osiarczania biogazu, trafostację o przekazywania i pomiaru energii elektrycznej o PGE oraz agregat prąotwórczy, który zasila całą instalację w przypaku przerw w ostawie prąu ( W baanych próbkach oznaczane zostały formy ogólne wybranych metali metoą spektrometrii absorpcji atomowej techniką płomieniową. Analizę wykonano za pomocą spektrometru AAS Varian AA-100. Prze pomiarami na absorpcyjnym spektrometrze atomowym, próbki pobrane z komór fermentacyjnych i z pulpy pofermentacyjnej wysuszono wstępnie w 105 C i zmielono, następnie spalono w piecu muflowym w temperaturze 550 C, a popiół został poany procesowi mineralizacji. Do mineralizacji użyto woy królewskiej, to jest mieszaniny stężonego kwasu solnego i azotowego w stosunku objętościowym 3:1. Po mineralizacji ilościowo próbkę przelano (przez sączek) o kolby o objętości 50 ml i uzupełniono woą estylowaną. Tak przygotowane roztwory poano analizie po kątem zawartość metali (Ca, Mg, C, Cu, Pb, Zn). Materiał roślinny 70% kiszonka z kukuryzy 10% wycierka ziemniaczana Opay zwierzęce 15% obornik świński 5% obornik robiowy Komora fermentacyjna 1 substraty Komora fermentacyjna 2 Energia cieplna Energia elektryczna substraty ciepło Pole uprawne nawóz naturalny Komora pofermentacyjna Rys. 1. Schemat technologiczny biogazowni w Rybołach 234

39 Tab. 1. Parametry pracy biogazowni rolniczej w Rybołach (Źróło: Opracowane własne) Magalena JOKA, Ewa SZATYŁOWICZ, Piotr OFMAN Moc biogazowni Zbiornik fermentacyjny Zbiornik pofermentacyjny Kogenerator Substrat Temperatura procesu 1,052 MW 2 szt. o wymiarach: śrenica 30 m, wysokość 6 m 1 szt. o wymiarach: śrenica 32 m, wysokość 8 m 2 szt. o mocy: 400 MW i 600 MW 70% kiszonka z kukuryzy 10% wycierka ziemniaczana 15% obornik świński 5% obornik robiowy C Ilość przepompowywanego substratu mięzy zbiornikami m 3 Dzienny wsa Wyajność proukcji energii Zużycie biogazu o proukcji energii t 1,6-1,8 t kiszonki kukuryzianej/1 MWh 480 m 3 /1 MWh Dzienna proukcja biogazu m 3 Dzienna proukcja energii elektrycznej MWh 3. Wyniki baań W tabeli 2 przestawiono wyniki wykonanych oznaczeń zawartości form ogólnych wybranych metali. Zawartości pierwiastków poano w przeliczeniu na kg suchej masy baanego materiału organicznego. Zawartość Ca i Mg jest 100 lub 1000 razy większa w porównaniu o zawartości C, Cu, Pb czy nawet Zn. Makroelementy, takie jak wapń i magnez, w baanych próbach pełnią funkcję regulatorów oczynu, utrzymując ph substratów i prouktów na poziomie bliskim obojętnemu. Ponato, wapń stabilizuje aktywność wielu enzymów, mięzy innymi ATPazy, fosfolipazy, amylazy (Starck, 2007; Talarowska i in., 2011). Na rysunku 2 zobrazowano zmiany zawartości metali wraz z przejściem substratów o kolejnych etapów fermentacji metanowej. Wzrastająca zawartość form ogólnych pierwiastków: Ca, Mg, C, Cu, Pb, Zn powoowana jest zmniejszeniem stężenia suchej masy organicznej, która w trakcie trwania procesu zostaje sukcesywnie zużywana na proukcję biogazu. Weług niemieckich baaczy (Kaltschmitt i Hartmann, 2001) stężenia Ca o około 2800 mg/kg i stężenia Mg o około 2400 mg/kg mogą istotnie hamować proces fermentacji metanowej. Zbyt uża zawartość Ca i Mg we wszystkich zbiornikach biogazowni spowoowana jest wysokim uziałem silnie alkalicznej wycierki ziemniaczanej w całym skłazie substratu ostarczanego o pierwszej komory fermentacyjnej. Może to powoować zmniejszenie efektywności proukcji biogazu. W celu powyższenia wyajności procesu należałoby zmniejszyć uział wycierki na rzecz gnojowicy bylęcej lub gnojowicy trzoy chlewnej. Analizując skła masy pofermentacyjnej po wzglęem zawartości C, Pb, Cu, Zn w porównaniu o skłau masy pofermentacyjnej proukowanej w szwezkich biogazowniach z gnojowicy świńskiej i bylęcej, gzie stężeniach tych pierwiastków wynosiły: 0,3 C mg/kg s.m., 4,1 Pb mg/kg s.m., 113,0 Cu mg/kg s.m., 375 Zn mg/kg s.m., można stwierzić, że jeynie zawartość Zn była niższa (Szymańska, 2011). Powoem tego jest inny rozaj substratów stosowanych o procesu fermentacji metanowej. Powyższona zawartość ołowiu może być spowoowana użytą kiszonką kukuryzianą, która pochoziła z zanieczyszczonych terenów, znajujących się w pobliżu rogi szybkiego ruchu. Tab. 2. Zawartość form ogólnych wybranych metali w prouktach i półprouktach fermentacji metanowej Ca Mg C Cu Pb Zn mg/kg s. m. Wsa z I komory fermentacyjnej Wsa z II komory fermentacyjnej Wsa z komory pofermentacyjnej 52819,0 815,8 1,6 30,1 11,5 115, ,3 343,5 0,9 35,3 14,5 165, ,5 1030,3 1,6 55,0 26,5 240,3 235

40 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) Rys. 2. Zawartość form ogólnych wybranych metali w próbkach 4. Dyskusja Wykorzystanie opaów, w tym prouktów roślinnych pochozących z rolnictwa, przyczyniło się o rozwoju małych biogazowni rolniczych generujących moc o 0,5 MW o 1 MW. Rozwój tego typu instalacji pociąga za sobą konieczność wykonywania baań, które pozwolą na optymalizację procesu biozgazowania i poprawę ich funkcjonowania. Charakterystyka parametrów, przy których proces fermentacji metanowej jest najkorzystniejszy, w kontekście pozyskiwania metanu, ma przee wszystkim ogromne znaczenie ekonomiczne. Zwiększenie zawartości CH 4 w proukowanym gazie zwiększa ilość energii uzyskanej z zaawanych substratów. Zapewnienie opowienich warunków śroowiskowych mikroorganizmom jest istotne, by proces ten przebiegał bez zakłóceń i przekłaa się na możliwie maksymalny rozkła biomasy o prouktów gazowych. Część mikroorganizmów biorących uział w fermentacji metanowej jest wrażliwa na niektóre substancje chemiczne, które są ostarczane z surowcami i stają się prouktami i półprouktami całego procesu. Substancjami niekorzystnie wpływającymi na proces fermentacji są metale ciężkie, jak na przykła: Cu, Ni, Cr w ilościach powyżej 100 g/m 3. Na, Ca czy Mg stają się toksyczne w ilości powyżej 240 g/m 3. Negatywny wpływ mają też etergenty i pestycyy zawarte w masie ostarczonej o komory fermentacyjnej (Lewanowski, 2006; Jęrczak, 2007; Curowski i in., 2009). W związku z tym, istotna staje się stała kontrola makro i mikroelementów w substratach stosowanych w procesie fermentacji metanowej, jak i w prouktach i półprouktach procesu. 5. Wnioski Wysokie stężenie form ogólnych Ca i Mg zaobserwowane w całym cyklu fermentacyjnym jest powoem zastosowania zbyt użej ilości wycierki ziemniaczanej (bogatej w/w pierwiastki) we wsazie biogazowni. Wzrastająca zawartość form ogólnych pierwiastków: Ca, Mg, C, Cu, Pb, Zn powoowana jest zmniejszeniem stężenia suchej masy organicznej (na proukcję biogazu). Stężenie metali ciężkich we wsazie biogazowni zbliżone jest o typowego la instalacji o poobnych warunkach karmienia. Stwierzone zawartości poszczególnych analizowanych metali, oprócz stężenia Mg, w tym metali bęących inhibitorami procesu fermentacji metanowej, nie powinny wykazywać negatywnego wpływu na proces fermentacji. Literatura Curkowski A., Mroczkowski P., Oniszk-Poplawska A., Wiśniewski G. (2009). Biogaz - Proukcja i Wykorzystanie. Mazowiecka Agencja Energetyczna, Warszawa. Czerwińska E., Kalinowska K. (2014). Warunki prowazenia procesu fermentacji metanowej w biogazowni. Inżynieria Rolnicza Ogronicza Leśna, 2/2014, Fabbri R., Mignani N. (2007). Electrical Power Obtaine from Burning Lanfill Gas Into a Gas Turbine Generator: Experience After One Year of Operation. TUMA Turbomach. Jerzykiewicz M. (2004). Analityczne metoy baań ojrzałości kompostów. W: Metoy baań substancji humusowych 236

41 Magalena JOKA, Ewa SZATYŁOWICZ, Piotr OFMAN ekosystemów wonych i ląowych. D. Gołębiowska (re.), Wyawnictwo AR w Szczecinie, Jęrczak A. (2007). Biologiczne Przetwarzanie Opaów. Wyawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. Kaltschmitt M., Hartmann, H. (2001). Energie aus Biomasse Grunlagen, Techniken un Verfahren. Springer Verlag, Berlin, Heielberg, New York. Lewanowski W.M. (2006). Proekologiczne Onawialne Źróła Energii. WNT, Warszawa. Pilarski K., Dach J., Miouszewska N. (2010). Comparison of efficiency of methane prouction from liqui muck an ung with refine glycerin aition. Journal of Research an Applications in Agricultural Engineering, Vol. 55, No. 2, Rutkowski K. (2011). Analiza wyajności oraz skłau biogazu w biogazowni o mocy 1MW. Inżynieria Rolnicza, Vol. 6, No 132, Starck Z. (2007). Gospoarka Mineralna Roślin. Wyawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. Szymańska M. (2011). Praktyczne aspekty wykorzystania substancji pofermentacyjnej jako nawozu naturalnego, Kielce. Talarowska A., Niemiałkowska-Butrym I., Sokołowska Z, Boguta P. (2011). Zawartość węgla i kationów metali w wybranych opaach organicznych po kątem wykorzystania ich o proukcji biogazu. Acta Agrophysica, Vol.18, No. 1, ASSESSMENT OF HEAVY METAL CONTENT IN PRODUCTS OF METHANE FERMENTATION OF AGRICULTURAL BIOGAS PLANT RYBOŁY Abstract: The aim of the stuy was to etermine the content of the general forms of heavy metals (inhibitors of methane fermentation process) in the proucts an intermeiates proucts of methane fermentation of agricultural biogas plant place in Ryboły village. The research inclues the analysis of the presence in biogas plant fee general forms of metals (Ca, Mg, C, Cu, Pb, Zn). Material was taken from the first (prefermentation) an secon fermentation tank an from the vessel igestate. Receive high levels of general forms of calcium an magnesium in the teste materials can be cause by using too much poultry manure fee. Furthermore, it was observe that the increase in the content of the general form of the analyze elements is cause by a reuction in the concentration of the organic ry, use for the prouction of biogas. 237

42 ZGODNOŚĆ POMIARÓW AUTOMATYCZNYCH STACJI METEOROLOGICZNYCH ULOKOWANYCH NA DACHACH BUDYNKÓW Z POMIARAMI ZE STACJI IMGW-PIB Sławomir ROJ-ROJEWSKI a, Olgier ALEKSANDROWICZ b a Wyział Buownictwa i Inżynierii Śroowiska, Politechnika Białostocka, ul. Wiejska 45 A, Białystok b Wyział Biologiczno-Chemiczny, Instytut Biologii, Uniwersytet w Białymstoku, ul. Ciołkowskiego 1J, Białystok Streszczenie: W pracy porównano ane z wóch stacji zamontowanych na achach buynków Politechniki Białostockiej i Uniwersytetu w Białymstoku oraz jenej stacji IMGW-PIB w Białymstoku położonych w pobliżu siebie. W obliczeniach statystycznych wzięto po uwagę 18 pełnych miesięcy (16 la kierunku wiatru) w okresie o paźziernika 2011 o maja 2014 roku. Pomiary wykonywane przez automatyczne stacje meteorologiczne montowane na achach buynków często różnią się w stosunku o pomiarów służby meteorologicznej w przypaku anych krótkookresowych, takich jak ane obowe. Najbarziej są tu wioczne różnice w metoach pomiarów, co szczególnie otyczy wilgotności wzglęnej powietrza oraz kierunku wiatru. Niektóre ze stacji pogoowych mogą ostarczać ane obowe otyczące temperatury powietrza i opaów atmosferycznych porównywalne z pomiarami profesjonalnymi. Różnice mięzy pomiarami zacierają się przy porównywaniu anych miesięcznych. Temperatura powietrza, prękość wiatru i opay atmosferyczne la łuższych okresów nie różnią się w sposób istotny statystycznie w stosunku o pomiarów sieci meteorologicznej, więc mogą być wykorzystywane o poobnych celów. Wyraźne różnice stwierzono jeynie w przypaku wilgotności wzglęnej i kierunku wiatru. Słowa kluczowe: automatyczna stacja meteorologiczna, pomiary meteorologiczne, porównanie pomiarów. 1. Wprowazenie W ostatnich latach obserwuje się wzrost popularności automatycznych stacji meteorologicznych zarówno amatorskich, jak i profesjonalnych. Systematycznie rośnie liczba prywatnych stacji pogoowych, które uostępniają ane online przez Internet (Bell i in., 2013). Automatyzacja pomiarów w coraz większym stopniu obejmuje także stacje sieci meteorologicznej, w naszym kraju prowazone przez Instytut Meteorologii i Gospoarki Wonej Państwowy Instytut Baawczy, co wyraźnie wpływa na poprawę okłaności i wiarygoności uzyskiwanych anych, stwarzając jenocześnie pewne problemy metoologiczne (Szwejkowski, 1999; Łabęzki i in., 2001; Łomotowski i Rojek, 2001; Lorenc, 2006; Mete, 2008; Kajewska- Szkularek i Rojek, 2013). Oprócz tego wiele instytucji, takich jak szkoły czy urzęy, posiaa własne stacje pogoowe. Urzązenia takie, często ze wzglęów bezpieczeństwa oraz braku opowieniej przestrzeni, montowane są na achach buynków tych instytucji. Powszechnie uważa się, że wyniki obserwacji meteorologicznych tego typu stacji istotnie różnią się o wyników uzyskiwanych w sieci IMGW-PIB z powou nieopowiaającej normom metozie pomiaru, częstszych awarii, niekiey też niższej jakości stosowanych urzązeń pomiarowych. Z tego wzglęu ane te, przez niektóre instytucje poawane na bieżąco w Internecie (na przykła przez Uniwersytet w Białymstoku Wyział Biologiczno- Chemiczny Politechnika Warszawska Wyział Fizyki pl/~meteo, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu Wyział Nauk o Ziemi Uniwersytet Opolski Instytut Fizyki uni.opole.pl/~astro/meteo), są traktowane jako pogląowe, charakteryzujące barziej lokalne warunki meteorologiczne. Nieznana jest jenak kwestia rzeczywistych różnic mięzy tymi pomiarami czy różnice te ujawniają się tylko w pomiarach chwilowych, czy także w obowych, miesięcznych i łuższych okresach czasu. Brakuje w literaturze przemiotu opracowań, które okłaniej analizowałyby te kwestie. W pracy postawiono za cel określenie stopnia wiarygoności wyników pomiarów uzyskanych z automatycznych stacji meteorologicznych ulokowanych na achach wysokich buynków w oniesieniu o wyników stacji IMGW-PIB. Autor opowiezialny za koresponencję. s.roj@pb.eu.pl 239

43 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) Materiał i metoy baań Porównano ane z wóch stacji zamontowanych na achach (stacja agrometeorologiczna WatchDog 2900ET na Wyziale Buownictwa i Inżynierii Śroowiska Politechniki Białostockiej oraz stacja Oregon WMR 928N w Instytucie Biologii Wyziału Biologiczno- Chemicznego Uniwersytetu w Białymstoku) oraz jenej stacji w ogróku meteorologicznym IMGW-PIB (Stacja Hyrologiczno-Meteorologiczna w Białymstoku, Dane uzyskane z IMGW-PIB Warszawa) ulokowanych w nieznacznej oległości o siebie (o 0,36 o 1,4 km) w Białystoku (rys. 1). Stacja PB jest zamontowana w jenym miejscu na wysokości 10 m na poziomem terenu, na achu buynku uczelni. Czujniki stacji UwB były barziej rozproszone, a część z nich (eszczomierz i wiatromierz) także została ulokowana na achu. Przyrząy pomiarowe przymocowano na różnych wysokościach: pomiar temperatury i wilgotności wzglęnej na 4 m na poziomem terenu, eszczomierz na 15 m, a wiatromierz, który znajował się na innym buynku uczelni oalonym o 120 m, na wysokości 12 m. Wszystkie trzy analizowane stacje ziałają automatycznie, ane przesyłają bezprzewoowo i należą o urzązeń profesjonalnych o wysokiej okłaności pomiarów. W pracy po uwagę wzięto pięć postawowych parametrów meteorologicznych najczęściej wykorzystywanych w analizach warunków pogoowych: temperaturę powietrza, wilgotność wzglęną, wielkość opau, prękość wiatru i kierunek wiatru. Ze wzglęu na przerwy w zasilaniu i awarie rejestracji ane ze stacji uczelnianych nie mają charakteru ciągłego, tak jak ane z IMGW-PIB Białystok. Dlatego w analizie porównawczej nie uwzglęniono obliczeń la całych lat, a jeynie okresy obowe i miesięczne. Nie było możliwe także przeprowazenie analizy zmienności sezonowej anych. Analizy ujmują tylko te miesiące, la których miała miejsce nieprzerwana i pozbawiona zakłóceń rejestracja pomiarów we wszystkich trzech stacjach. Dlatego wzięto po uwagę jeynie 18 pełnych miesięcy w okresie o paźziernika 2011 o maja 2014 roku, co było poyktowane częstymi przerwami w pracy głównie na stacji UwB. Obliczenia wykonywano na anych obowych (suma opaów na stacji IMGWB 534 pomiary), gozinowych (stacja PB, pozostałe parametry na stacji IMGWB pomiarów na każej z nich) lub 5-minutowych (stacja UwB pomiarów). Uział procentowy 8 głównych kierunków wiatru określono la 16 miesięcy wspólnych la wszystkich trzech stacji. Rys. 1. Lokalizacja stacji meteorologicznych: 1 Politechnika Białostocka, 2 Uniwersytet w Białymstoku, 3 Instytut Meteorologii i Gospoarki Wonej w Białymstoku (na postawie mapy 240

44 Sławomir ROJ-ROJEWSKI, Olgier ALEKSANDROWICZ Analizy statystyczne wykonano przy użyciu programu komputerowego Statistica v.12. Do baania normalności rozkłau zmiennych oraz normalności reszt w regresji liniowej zastosowano test Shapiro-Wilka. Prawie wszystkie baane zmienne nie posiaały rozkłau normalnego (p = 0,05), latego o porównania istotnych różnic mięzy nimi zastosowano test nieparametryczny Kruskala-Wallisa. Rozkłaem normalnym charakteryzowały się jeynie śrenie miesięczne temperatury powietrza, z tego powou porównano je testem parametrycznym jenoczynnikowa ANOVA. Doatkowo obliczono współczynniki korelacji rang Spearmana r s oraz opracowano moele regresji liniowej (p = 0,05). Róże wiatru porównano jeynie graficznie. 3. Wyniki i yskusja Postawowe statystyki i wykresy ramkowe anych obowych, obliczonych la trzech analizowanych stacji, wskazują przeważnie na znaczne różnice mięzy nimi (rys. 2). Szczególnie są one wioczne w przypaku wilgotności wzglęnej (śrenia la stacji PB 74,47%, UwB 67,86%, IMGWB 84,36%). Na istotne statystycznie różnice mięzy wszystkimi stacjami jenoznacznie wskazują wyniki testu Kruskala-Wallisa (tab. 1). Zarejestrowane wartości wilgotności powietrza różniły się w użym stopniu, lecz jenocześnie były barzo silnie ze sobą skorelowane (r s = 0,9260-0,9646, tab. 2), czyli cechowały się ientycznym trenem. Na różnice miały głównie wpływ omienne wysokości zamontowania czujników (PB 10 m, UwB 4 m, IMGWB 1 m), jak również omienny charakter położa i najbliższego otoczenia przyrząów. Wilgotność wzglęna była wyraźnie wyższa w przypaku stacji IMGWB. Rys. 2. Wykresy ramkowe anych obowych: PB Politechnika Białostocka, UwB Uniwersytet w Białymstoku, IMGWB Instytut Meteorologii i Gospoarki Wonej w Białymstoku 241

45 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) Tab. 1. Wartości prawopoobieństwa la porównań wielokrotnych w teście Kruskala-Wallisa analizowanych parametrów (test NIR i ANOVA w przypaku śreniej miesięcznej temperatury powietrza) Parametr Stacja Dane obowe Dane miesięczne PB UwB KW PB UwB KW/A Temperatura powietrza PB UwB 0,1280 0,0004 0,7225 0,7343 IMGWB 0,1522 0,0002 0,6689 0,4348 Wilgotność wzglęna PB UwB 0,0000 0,0000 0,2005 0,0001 IMGWB 0,0000 0,0000 0,0340 0,0000 Prękość wiatru PB UwB 0,9494 0,0007 1,0000 0,8496 IMGWB 0,0006 0,0275 1,0000 1,0000 Opay atmosferyczne PB UwB 0,0004 0,0000 0,9274 0,2140 IMGWB 1,0000 0,0001 1,0000 0,2414 Objaśnienia: PB Politechnika Białostocka, UwB Uniwersytet w Białymstoku, IMGWB Instytut Meteorologii i Gospoarki Wonej w Białymstoku, KW test Kruskala-Wallisa, A test ANOVA, pogrubiono wartości p < 0,05. Tab. 2. Współczynniki korelacji rang Spearmana analizowanych parametrów Parametr Stacja Dane obowe Dane miesięczne PB UwB PB UwB Temperatura powietrza PB 1,0000 1,0000 UwB 0,9929 1,0000 0,9979 1,0000 IMGWB 0,9936 0,9924 0,9979 0,9959 Wilgotność wzglęna PB 1,0000 1,0000 UwB 0,9451 1,0000 0,9897 1,0000 IMGWB 0,9646 0,9260 0,9794 0,9669 Prękość wiatru PB 1,0000 1,0000 UwB 0,5803 1,0000 0,3000 1,0000 IMGWB 0,8212 0,5906 0,8018 0,0382 Opay atmosferyczne PB 1,0000 1,0000 UwB 0,6870 1,0000 0,7035 1,0000 IMGWB 0,5978 0,4889 0,9262 0,6088 Objaśnienia: PB Politechnika Białostocka, UwB Uniwersytet w Białymstoku, IMGWB Instytut Meteorologii i Gospoarki Wonej w Białymstoku, pogrubiono wartości p < 0,05. Duże różnice zauważono także w przypaku obowych wartości prękości wiatru (śrenia la stacji PB 2,90 km/h, UwB 3,41 km/h, IMGWB 2,62 km/h), a szczególnie otyczyło to wartości maksymalnych (PB 17,08 km/h, UwB 14,94 km/h, IMGWB 8,21 km/h). Stacja IMGWB, ze wzglęu na lokalizację na otwartym terenie, rejestrowała mniejsze prękości wiatru, co wynikało z braku zawirowań i efektu tunelowego, jaki tworzy się na obszarach o zagęszczonej zabuowie (Kożuchowski i in., 2013). Różnice potwierził test Kruskala-Wallisa, choć korelacje były osyć wysokie (r s = 0,5803-0,8212). Mniejsze różnice wioczne były w sumach obowych opaów atmosferycznych (śrenia la stacji PB 1,16 mm, UwB 0,99 mm, IMGWB 1,27 mm). Test porównań wielokrotnych nie wykazał istotnych statystycznie różnic tylko miezy wskazaniami eszczomierza na stacji PB oraz IMGWB, pomimo tego, że znajowały się na zupełnie innych wysokościach na poziomem terenu (PB 10 m, IMGWB 1 m). Korelacje miezy opaami na baanych stacjach należały o śrenich (r s = 0,4889-0,6870). 242

46 Sławomir ROJ-ROJEWSKI, Olgier ALEKSANDROWICZ Przy porównaniu anych miesięcznych uzyskano omienne rezultaty w stosunku o anych obowych (rys. 3). Jeynie wilgotność wzglęna naal wykazywała uże różnice w zależności o lokalizacji stacji (śrenia la stacji PB 76,80%, UwB 69,56%, IMGWB 85,65%), co ponownie potwierziły wyniki testu Kruskala-Wallisa. W przypaku tych analiz nie wykazano istotnych statystycznie różnic w zakresie temperatury powietrza, prękości wiatru i opaów atmosferycznych. W większości przypaków korelacje mięzy wynikami na różnych stacjach były zbliżone o korelacji la anych obowych. Analizy wielolecia wskazują na ominację na terenie Białegostoku wiatrów zachonich (Górniak, 2000). Potwierza to wykonana róża wiatrów la stacji IMGWB (uział wiatrów zachonich 17,6%), pomimo tego, że nie sporzązono jej w cyklu rocznym (rys. 4). Doatkowo zaznacza się znaczny uział wiatrów połuniowych (14,6%) i północnych (13,2%). Rys. 3. Wykresy ramkowe anych miesięcznych: PB Politechnika Białostocka, UwB Uniwersytet w Białymstoku, IMGWB Instytut Meteorologii i Gospoarki Wonej w Białymstoku Rys. 4. Róże wiatru la stacji meteorologicznych: PB Politechnika Białostocka, UwB Uniwersytet w Białymstoku, IMGWB Instytut Meteorologii i Gospoarki Wonej w Białymstoku 243

47 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) Róże wiatru na baanych stacjach automatycznych znacznie różnią się w stosunku o pomiarów kierunków wiatru wykonanych przez IMGW. W parametrze tym najbarziej uwiaczniają się różnice w umiejscowieniu porównywanych stacji. Można zauważyć wyraźne zmiany kierunku wiatru wynikające z lokalizacji urzązeń pomiarowych na achach buynków oraz obić i zawirowań spowoowanych pobliskimi przeszkoami w postaci innych buynków, bąź lasu. Nawet róże wiatru wóch stacji ulokowanych w niewielkiej oległości o siebie na achach barzo się różnią. W przypaku stacji PB zecyowanie ominują wiatry północnozachonie (26,9%) i połuniowe (25,1%), zaś wiatry zachonie mają niewielki uział (8,8%). Tworzy się tu wyraźny sztuczny tunel wskazujący na uże zaburzenie naturalnych kierunków wiatru. W przypaku stacji UwB efekt ten nie występuje. Przeważają tu wiatry połuniowe (19,8%), zaś północne mają najniższy uział (6,4%). Dosyć znaczny jest uział wiatrów zachonich (12,4%) i połuniowo-zachonich (18,0%). Analiza regresji liniowej pozwoliła na wyznaczenie jeynie czterech istotnych statystycznie moeli, przy czym wszystkie otyczyły tylko anych miesięcznych, a jako zmienne niezależne zostały przyjęte pomiary na stacji IMGWB (rys. 5). Prawie iealne opasowanie moelu liniowego miało miejsce w przypaku temperatury powietrza (stacja PB r 2 = 0,9984, stacja UwB r 2 = 0,9990). Większe błęy opasowania uzyskano przy regresji la prękości wiatru (stacja PB r 2 = 0,8680) i sumy opaów atmosferycznych (stacja UwB r 2 = 0,5697). Śrenia miesięczna temperatura powietrza PB [ 0 C] y = 0, ,0729*x r 2 = 0, Śrenia miesięczna temperatura powietrza IMGWB [ 0 C] 18 Śrenia miesięczna temperatura powietrza UwB [ 0 C] y = 1, ,0051*x r 2 = 0, Śrenia miesięczna temperatura powietrza IMGWB [ 0 C] Rys. 5. Moele regresji liniowej la miesięcznej temperatury powietrza: PB Politechnika Białostocka, UwB Uniwersytet w Białymstoku, IMGWB Instytut Meteorologii i Gospoarki Wonej w Białymstoku 244

48 Sławomir ROJ-ROJEWSKI, Olgier ALEKSANDROWICZ 4. Wnioski 1. Wyniki pomiarów wykonywanych przez profesjonalne automatyczne stacje meteorologiczne montowane na achach buynków często różnią się w stosunku o pomiarów służby meteorologicznej w przypaku anych krótkookresowych, takich jak ane obowe. Najbarziej są tu wioczne różnice w metoologii, co szczególnie otyczy wilgotności wzglęnej powietrza oraz kierunku wiatru. 2. Niektóre ze stacji pogoowych mogą ostarczać anych obowych otyczących temperatury powietrza i opaów atmosferycznych porównywalnych z pomiarami służby meteorologicznej. 3. Różnice mięzy pomiarami krótkookresowymi zacierają się przy porównywaniu anych miesięcznych. Szczególnie temperatura powietrza, w mniejszym stopniu także prękość wiatru i opay atmosferyczne, la łuższych okresów czasu nie różnią się w sposób istotny statystycznie w stosunku o pomiarów sieci meteorologicznej, więc mogą być wykorzystywane o poobnych celów. Wyraźne różnice stwierzono jeynie w przypaku wilgotności wzglęnej i kierunku wiatru. Literatura Bell S., Cornfor D., Bastin L. (2013). The state of automate amateur weather observations. Weather, Vol. 68, Issue 2, Dane uzyskane z IMGW-PIB. Warszawa. Górniak A. (2000). Klimat wojewóztwa polaskiego. Instytut Meteorologii i Gospoarki Wonej. Oział w Białymstoku, Białystok. Kajewska-Szkularek, J., Rojek, M. (2013). Porównanie śreniej obowej temperatury i wilgotności powietrza mierzonych i obliczanych metoami stanarową i automatyczną. Woa Śroowisko Obszary Wiejskie, 13, 1(41), Kożuchowski K., Wibig J., Degirmenžić J. (2013). Meteorologia i klimatologia. Wyawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. Lorenc H. (2006). Ocena jakości anych meteorologicznych po wprowazeniu automatycznych przyrząów rejestrujących na sieci IMGW. Annales UMCS, Vol. 61, Nr 30, Sect. B, Łabęzki, L., Roguski W., Kasperska W. (2001). Ocena pomiarów meteorologicznych prowazonych stacją automatyczną. Przeglą Naukowy Wyziału Inżynierii i Kształtowania Śroowiska SGGW, Nr 21, Łomotowski, J., Rojek, M. (re.). (2001). Wybrane zaganienia z zakresu pomiarów i meto opracowania anych automatycznych stacji meteorologicznych. Monografie. Wyawnictwa AR Wrocław, 25, Nr 428, 87. Mete M. (2008). Implementation of Automatic Weather Observing Systems (AWOS) in the mountainous areas. W: WMO Technical Conference on Instruments an Methos of Observations, St. Petersburg, Russian Feeration, November Szwejkowski Z. (1999). Porównanie wyników pomiarów okonywanych za pomocą klasycznej i automatycznej stacji meteorologicznej. Folia Universitatis Agriculture Stetinensis, 201, Agricultura 89, COMPATIBILITY OF MEASUREMENTS OF AUTOMATIC WEATHER STATIONS LOCATED ON THE ROOFS OF BUILDINGS AND MEASUREMENTS OF THE IMGW-PIB STATION Abstract: In the stuy ata from two stations mounte on roofs of builings at the Bialystok University of Technology an the University of Bialystok, an one station IMGW-PIB locate in a slight istance from each other, were compare. Statistical analyses concerne 18 full months (16 for win irection) from October 2011 until May Measurements carrie out by automatic weather stations mounte on the roofs of builings often iffer in relation to the measurement of meteorological service for short-term, such as aily. Differences in measurement methoology are the most visible for that perio, particularly regaring the relative humiity an win irection. Some weather stations can provie aily air temperature an precipitation comparable to professional ones. The ifferences between the measurements are blurre when comparing monthly ata. Air temperature, win spee an precipitation for longer perios o not iffer in a statistically significant way in relation to the measurement meteorological network, so they can be use for similar purposes. Significant ifferences were observe only in case of relative humiity an win irection. Baania zostały zrealizowane w ramach pracy numer S/WBiIŚ/1/14 i sfinansowane ze śroków na naukę MNiSW. 245

49 RADIOCARBON 14 C METHOD AS USEFUL TOOL FOR FLUE GAS MONITORING APPLICATION: REVIEW Michał STACHÓW Faculty of Chemistry, University of Opole, Oleska 48, Opole, Polan Abstract: Cosmic-ray research which starte just after the secon worl war in 1947, encourage wiesprea use of raioactive particles in many areas of science an technology, starting from astronomy, chemistry, archaeology, biology, botany, meicine an lately ening with environmental stuies. Metho base on measurements of the raioactive elements remains in various samples (soli, liqui an gaseous) can be very useful tool for ecological an environmental analytical measurements. The 14 C liqui scintillating counting metho was use for simplifie etermination of the biomass content in flue gas from combustion processes or in the finishe bio-prouct. Review of the latest results an progress in this research area shows the growth of interest from inustrial sector in normalise metho for biomass content etermination. Key wors: flue gas, monitoring, 14 C, raiocarbon. 1. Introuction Determination of natural abunance of various raioactive nuclies was starting point for further space exploration in 1947 (Anerson et al., 1947; Grosse & Libby, 1947). In the next year Calvin (1948) use raioisotope labelling as a metho for etermination of the reaction path. From this point wiesprea use of raio-chemistry has begun in many fiels of science an technology, starting from raio-astronomy, chemistry, archaeology, biochemistry, entomology, botanic, meicine an ening with ecology as well as environmental analytics stuies. One of the most popular raio-isotopes is 14 C carbon. It has been use for various purposes for over sixty years. For example, not only age etermination (Libby et al., 1949) but also ifferentiation biogenic an fossil carbon content in atmosphere were performe from late 50 s (Clayton et al., 1955; Currie et al., 1994), as well as foo processing an analysis (Simon et al., 1968). Inustrial revolution of the nineteenth an twentieth century provie significant progress in the fiel of human influence on the climate change globally, particular the greenhouse gases (UE, 2007; Bogner et al., 2008). Instant growth of goos an energy consumption is correlate to the operation of fossil fuels. Most of them are utilise in various combustion processes which leas to significant CO 2 prouction. This particular CO 2 gain is not inclue in natural environmental cycle of carbon element. Of course, greenhouse gases are responsible for global warming effect that provie suitable conitions for life expansion. However, global as well as local ecosystems have their own capacity for those gases an pollutants concentrations. That is why they shoul be in particular interest for future generations. In last three ecaes a lot of non-profit activist an political organizations where foune to put emphasis on the controlling of the global pollutant concentrations. Those actions resulte in emission restrictions in several countries for each sector of the economy. It has been one of the most important topics in legislative iscussion in European Union since early 2000 s (EU, 2003; Ryan et al., 2006). New eco-legislation initiatives challenges science an inustry in many fiels. Fossil fuels (coal, gas, oil) which are millions of years ol o not contain measurable quantities of 14 C raioisotope which has 5730 years of half-life time. In contrary samples of natural resources from living organisms an those not oler than two hunre years can be measure with raio-carbon metho. Biomass use for combustion process is one of preferre renewable resources an oes not implicate the balance of the carbon natural eco-cycle (Bogner et al., 2008). 2. Interest of 14 C isotope in science Scientists have use 14 C isotope since the late 40 s (Anerson et al., 1947; Grosse & Libby, 1947; Calvin, 1948) for many purposes. In Figure 1A the increase of interest of research activity incluing raio-carbon concentration measurements in last twelve years is shown. This significant rise can be explaine ue to the general Autor opowiezialny za koresponencję. michal.stachow@gmail.com 247

50 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) scientific progress, constant harware evelopment an fining new niches of science intereste in raio-carbon measurements. Furthermore, each year approximately 500 scientific papers are prouce on raio-carbon topic. Biogenic carbon concentration in various samples is one of the niches for 14 C concentration measurements (Rethemeyer et al., 2005) (Fig. 1B). Biogenic CO 2 from combustion processes is also in particular interest of science because of biomass combustion in power plants (Fig. 1B). However, there have been very few papers on biogenic CO 2 concentration in flue gas from real scale prouction an combustion plants so far. a) b) No. of scientific papers A 1000 No. of scientific papers base on Web of Science atabase ~ 500 Scientific paper each year on "raiocarbon" topic Years Year Biogenic - 14 C Biogenic - CO 2-14 C Figure 1.Amonth of raio-carbon in : a) general, b) biogenic raio-carbon. All statistical ata taken from Web of Science atabase. In Table 1 ten most intereste in raio-carbon technique for biogenic CO 2 measurements scientific fiels are shown. In the first place we observe particular interest of environmental sciences (Gramling et al., 2003; Rethemeyer et al., 2005; Rey et al., 2008; Camilli et al., 2010; Joye et al., 2011; Aeppli et al., 2012), in contrary research connecte to the geology as well those incluing bio-proucts (Tachibana et al., 2010). Presente results shoul not be interprete in terms of absolute values but in terms of trens in scientific fiel. Table 1. Interest for biogenic CO2 14 C research in ifferent areas of science. All statistical ata taken from Web of Science atabase. No. Research area (%) of total scientific papers 1 Environmental stuies, ecology Geology Meteorology Engineering Geophysics, geochemistry Agriculture Marine biology Biotechnology applic. Microbiology Energy resources Instrumental techniques 5.41 Analysis clearly shows that raio-carbon metho for etermination of 14 C concentration is mostly popular in age etermination. Biogenic carbon in environmental samples are one of the niche which is slowly eveloping. 3. Methoology of 14 C measurements The metho of raio-carbon content etermination is base on principle that all biogenic environmental samples are younger than 200 years an contain enough 14 C isotope for precise measurements. It was originally evelope over twenty five years ago by Beta Analytic Inc., a well experience in raio-isotopic area American company. Nowaays, ASTM stanar prepare by them is often use (ASTM D , 2008). It is base on etermination of the ratio between 14 C an 13 C isotopes (Narayan, 2006) an after that sample is crosschecke with reference sample of oxalic aci. After the measurements biogenic carbon content is calculate from equations presente below: 14 As = 14 C / 13 Csample (1) 14 Ar = 14 C / 13 Creference (2) Δ 14 C = [( 14 As - 14 Ar) / 14 Ar] 1000 (%) (3) pmc= Δ 14 C / (%) (4) where: Δ 14 C ifference of quantitative relation between sample an reference, pmc (percentage Moern Carbon) content of biogenic carbon obtaine from reference oxalic aci enriche with raio-carbon isotope an measure sample. For fossil samples pmc = 0%, an for biogenic carbon from photosynthesis pmc = %. Nowaays raio-carbon analysis is performe uner various analytical approaches (CEN/TR15591, 2007), however the most popular an gaining one is liqui scintillation counting (LSC). It is base on nuclear 248

51

52 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) Intense scientific investigation on application of biomass in various inustrial applications took place in recent years (Fujino et al., 1999; Brigwater, 2003; Siemons et al., 2004; Arana Usón et al., 2013). From the EU statistics the increasing share of biomass market for energy prouction can be observe (Fig. 3) (Agency, 2013). It is worth mentioning that the annual ifferences are small, although the growth rate of the green technologies involvement (Agency, 2013) in the energy market accelerate in the last 10 years. Despite worl economic crisis, forecasts for inustrial application of biomass on the market are optimistic (Hall & House, 1995; Bernes, 2003; Hoogwijk, 2003; van Dam et al., 2007; Panoutsou et al., 2009; Commission, 2010). Latest estimate results for biomass market to 2030 shows the annual several percent growth (Bentsen & Felby, 2012). One of the major application of biomass is the inustrial combustion in power plants (Calcagnile et al., 2011). It is obvious that its preferable position in green-tech portfolio is ue to its easy application an cyclic as well as fairly quick regeneration of the resources. Toay biomass use in total renewable resource technologies currently in use is up to 70% in year 2010 (Fig. 3B). Nowaays biomass can be applie even in cement inustry for combustion (Arana Usón et al., 2013; Skytte et al., 2006). Due to the limitations of CO 2 emissions an growing application of biomass as fuel it is important to evaluate the share of renewable CO 2 in total emission. 6. Summary The 14 C raio-carbon metho (as the content of biogenic carbon uring the combustion of alternative fuels) is a very useful tool to stuy environmental samples, biocompatible proucts as well as the content of biogenic carbon uring the combustion of biomass. Growing political an legislative pressure in countries like China, Australia, USA an Japan, are forcing those to initiate similar to EU control an traing systems of CO 2 emissions. This will effect with full analytical control of pollution levels. Raio-carbon metho provies unique opportunity for quantitative evaluation of biogenic an fossil CO 2 concentration in flue gas. References Aeppli C., Carmichael C.A., Nelson R.K., Lemkau K.L., Graham W.M., Remon M.C., Valentine D.L., Rey C. M. (2012). Oil weathering after the eepwater horizon isaster le to the formation of oxygenate resiues. Environmental Science & Technology, Vol. 46, Is. 16, Agency E.E. (2013). Renewable energy in gross inlan energy consumption (CSI 030/ENER 029) - Assessment. Brussel, BE. Anerson E.C., Libby W.F., Weinhouse S., Rei A.F., Kirshenbaum A.D., Grosse A.V. (1947). Natural raiocarbon from cosmic raiation. Physical Review, Vol. 72, No. 10, Arana Usón A., López-Sabirón A.M., Ferreira G., Llera Sastresa E. (2013). Uses of alternative fuels an raw materials in the cement inustry as sustainable waste management options. Renewable an Sustainable Energy Reviews, Vol. 23, ASTM D (2008) Stanar Test Methos for Determining the Biobase Content of Soli, Liqui, an Gaseous Samples Using Raiocarbon Analysis. Bentsen N., Felby C. (2012). Biomass for energy in the European Union - a review of bioenergy resource assessments. Biotechnology for Biofuels, Vol. 5, No. 1, 25. Bernes G. (2003). The contribution of biomass in the future global energy supply: a review of 17 stuies. Biomass Bioenergy, Vol. 25, Bogner J., Pipatti R., Hashimoto S., Diaz C., Mareckova K., Diaz L., Kjelsen P., Monni S., Faaij A., Gao Q., Zhang T., Ahme M.A., Sutamiharja R.T., Gregory R. (2008). Mitigation of global greenhouse gas emissions from waste: conclusions an strategies from the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Fourth Assessment Report. Working Group III (Mitigation). Waste management & research: the journal of the International Soli Wastes an Public Cleansing Association, ISWA, Vol. 26, No. 1, Brigwater A. (2003). Renewable fuels an chemicals by thermal processing of biomass. Chemical Engineering Journal, Vol. 91, Calcagnile L., Quarta G., D Elia M., Ciceri G., Martinotti V. (2011). Raiocarbon AMS etermination of the biogenic component in CO2 emitte from waste incineration. Nuclear Instruments an Methos in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials an Atoms, Vol. 269, No. 24, Calvin M. (1948). Investigation of reaction mechanisms an photosynthesis with raiocarbon. Nucleonics, Vol. 2, No. 3, Camilli R., Rey C.M., Yoerger D.R., Van Mooy B.A.S., Jakuba M.V., Kinsey J.C., McIntyre C.P., Sylva S.P., Maloney J.V. (2010). Tracking hyrocarbon plume transport an bioegraation at Deepwater Horizon. Science, Vol. 330, No. 6001, CEN/TR15591 (2007) Soli recovere fuels Determination of the biomass content base on the 14 C metho - CEN/TR, Brussel, p Clayton G.D., Arnol J.R., Patty F.A. (1955). Determination of sources of particulate atmospheric carbon. Science, Vol. 122, Is. 3173, Commission E. (2010). A strategy for competitive, sustainable an secure energy. European Commission, Brussels. Currie L.A., Kloua G. A., Klineinst D.B., Sheffiel A.E., Jull A.J.T., Donahue D.J., Connolly M.V. (1994). Determination of sources of particulate atmospheric carbon. Nuclear Inst. an Methos in Physics Research, B, Vol. 92, Is. 1-4, EU, C. (2003). Directive 2003/87/EC of the European Parliament an of the Council of 13 October 2003 on establishing a scheme for greenhouse gas emission allowance traing within the Community an amening Council Directive 96/61/EC. Official Journal of the European Union, L275, Fellner J., Cencic O., Rechberger H. (2007). New metho to etermine the ratio of electricity prouction from fossil an biogenic sources in waste-to-energy plants. Environmental Science an Technology, Vol. 41, Is. 7, Fujino J., Yamaji K., Yamamoto H. (1999). Biomass-Balance Table for evaluating bioenergy resources. Applie Energy, Vol. 63,

53 Michał STACHÓW Gramling C.M., McCorkle D.C., Mulligan A.E., Woos T.L. (2003). A carbon isotope metho to quantify grounwater ischarge at the lan-sea interface. Limnology an Oceanography, Vol. 48, Is. 3, Grosse A.V., Libby W.F. (1947) Cosmic raiocarbon an natural raioactivity of living matter. Science, Vol. 106, No. 2743, Hall D., House J. (1995). Biomass energy in Western Europe to Lan Use Policy, Vol. 12, Hoogwijk M. (2003). Exploration of the ranges of the global potential of biomass for energy. Biomass an Bioenergy, Vol. 25, Johansson T., Kelly H., Rey A., Williams R. (1993). Renewable fuels an electricity for a growing worl economy. Chapter 1, In: T.B. Johansson, H. Kelly, A.K.N. Rey an R. Williams (es.), Renewable Energy-Sources for Fuels an Electricity, Islan Press, Washington, 1-72, Joye S.B., MacDonal I.R., Leifer I., Asper V. (2011). Magnitue anoxiation potential of hyrocarbon gases release from the BP oil well blowout. Natture Geoscience, Vol. 4, No. 3, Libby W.F., Anerson E.C., Arnol J.R. (1949). Age etermination by raiocarbon content - worl-wie assay of natural raiocarbon. Science, Vol. 109, No. 2827, Mohn J., Sziat S., Fellner J., Rechberger H., Quartier R., Buchmann B., Emmenegger L. (2008). Determination of biogenic an fossil CO2 emitte by waste incineration base on 14 CO2 an mass balances. Bioresource Technology, Vol. 99, No. 14, Narayan R. (2006). Biobase an Bioegraable Polymer Materials: Rationale, Drivers, an Technology Exemplars. Degraable Polymers an Materials. American Chemical Society. Palstra S.W.L., Meijer H.A.J. (2010). Carbon-14 base etermination of the biogenic fraction of inustrial CO2 emissions Application an valiation. Bioresource Technology, Vol. 101, No. 10, Panoutsou C., Eleftheriais J., Nikolaou A. (2009). Biomass supply in EU27 from 2010 to Energy Policy, Vol. 37, Rey C.M., DeMello J.A., Carmichael C.A., Peacock E.E., Xu L., Arey J.S. (2008). Determination of bioiesel blening percentages using natural abunance raiocarbon analysis: Testing the accuracy of retail bioiesel blens. Environmental Science an Technology, Vol. 42, No. 7, Reinhart T., Richers U., Suchomel Horst H. (2008). Hazarous waste incineration in context with carbon ioxie. Waste Management an Research, Vol. 26, No. 1, Rethemeyer J., Kramer C., Gleixner G., John B., Yamashita T., Flessa H., Anersen N., Naeau M.-J., Grootes P.M. (2005). Transformation of organic matter in agricultural soils: raiocarbon concentration versus soil epth. Geoerma, Vol. 128, No. 1-2, Ryan L., Convery F., Ferreira S. (2006). Stimulating the use of biofuels in the European Union: Implications for climate change policy. Energy Policy, Vol. 34, No. 17, Siemons R., Vis M., van en Berg D., McChesney I., Whiteley M., Nikolaou N. (2004). Bio-energy s Role in the EU Energy Market: A View of Developments until Report to the European Commission. Simon H., Rauschenbach P., Frey A. (1968). Unterscheiung von Gärungsalkohol un Essig von synthetischem Material urch en14c-gehalt. Zeitschrift für Lebensmitteluntersuchung un-forschung A., Vol. 136, Skytte K., Meibom P., Henriksen T. (2006). Electricity from biomass in the European union-with or without biomass import. Biomass Bioenergy, Vol. 30, Staber W., Flamme S., Fellner J. (2008). Methos for etermining the biomass content of waste. Waste Management an Research, Vol. 26(1), Swisher J., Wilson D. (1993). Renewable energy potentials. Energy, Vol. 18, Tachibana Y., Masua T., Funabashi M., Kunioka M. (2010). Chemical synthesis of Fully Biomass-Base Poly (butylene succinate) from Ineible-Biomass-Base Furfural an Evaluation of Its Biomass Carbon Ratio. Biomacromolecules, Vol. 11(10), Thran D., Seienberger T., Zeies J., Offermann R. (2010). Global biomass potentials - Resources, rivers an scenario results. Energy for Sustainable Development, Vol. 14, UE, C. (2007) COMMISSION DECISION of 18 July 2007 establishing guielines for the monitoring an reporting of greenhouse gas emissions pursuant to Directive 2003/87/EC of the European Parliament an of the Council. Official Journal of the European Union, L229, van Dam J., Faaij A., Lewanowski I., Fischer G. (2007) Biomass prouction potentials in Central an Eastern Europe uner ifferent scenarios. Biomass Bioenergy, Vol. 31,

54 STATECZNOŚĆ ZEWNĘTRZNA ŚCIANY OPOROWEJ ZBROJONEJ GEOSYNTETYKIEM Zenon SZYPCIO, Katarzyna DOŁŻYK-SZYPCIO Wyział Buownictwa i Inżynierii Śroowiska, Politechnika Białostocka, ul. Wiejska 45A, Białystok Streszczenie: W pracy przestawiono zaganienie stateczności zewnętrznej ścian oporowych z gruntu zbrojonego. Zwrócono szczególną uwagę na zaganienie parć gruntu na ścianę oporową z gruntu zbrojonego, homogenizację położa warstwowego oraz wpływ zmian poziomu wó gruntowych na stateczność ściany. Analizę stateczności zewnętrznej przykłaowej ściany z gruntu zbrojonego wykonano zgonie z Eurokoem 7 metoą klasyczną i wykorzystując program komputerowy GEO5. Wyznaczona nośność położa zależy o metoy homogenizacji i znacząco spaa przy wzroście poziomu zwierciała wó gruntowych. Słowa kluczowe: ściany oporowe, grunt zbrojony, stateczność zewnętrzna. 1. Wprowazenie Ściany oporowe z gruntu zbrojonego są często stosowaną alternatywą klasycznych rozwiązań. W przypaku wysokich ścian oporowych jest to zwykle najbarziej ekonomiczne rozwiązanie. Generalnie stosowane jest nierozciągliwe, metalowe lub rozciągliwe, geosyntetyczne zbrojenie. Przy stosowaniu zbrojenia nierozciągliwego występują barzo małe okształcenia gruntu i klasyczne obliczenia parcia gruntu muszą być zweryfikowane (BS , 2010). Zbrojenie geosyntetyczne pozwala na eformacje gruntu umożliwiające stosowanie klasycznych teorii Coulomba o analizy stanów zniszczenia konstrukcji z gruntu zbrojonego (Wysokiński i Kotlicki, 2008; EBGEO, 2011; Clayton i in., 2013). Postawowe kroki przy projektowaniu ścian oporowych z gruntu zbrojonego przestawiono na rysunku 1. W pierwszej kolejności, la założonej geometrii ściany oporowej z gruntu zbrojonego, sprawza się jej stateczność zewnętrzną. Analizując stateczność zewnętrzną traktuje się ścianę jako nieokształcalny blok i sprawza się czy ściana nie ulegnie przesunięciu, obrotowi, wypieraniu gruntu położa spo postawy oraz sprawza się czy zapewniona jest stateczność zbocza la powierzchni poślizgu nieprzecinających bloku zbrojonego gruntu. Rys. 1. Postawowe kroki przy projektowaniu ścian oporowych z gruntu zbrojonego geosyntetykiem Autor opowiezialny za koresponencję. z.szypcio@pb.eu.pl 253

55 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) Warunki stateczności powinny być sprawzone zgonie z Eurokoem 7 (Szypcio i Dołżyk, 2006; PN-EN , 2008). Jeżeli wszystkie warunki stateczności zewnętrznej bęą spełnione można przystąpić o następnych kroków projektowania. Przy projektowaniu ścian oporowych z gruntu zbrojonego stosowane są różne metoy opisane w normach, zaleceniach i publikacjach naukowych (Wysokiński i Kotlicki, 2008; BS , 2010; Clayton i in., 2013; GEO5, 2016). W pracy przestawiono przykła analizy stateczności zewnętrznej metoą klasyczną zgonie z Eurokoem 7 (PN-EN :2008), zaleceniami EBGEO (EBGEO, 2011) oraz przestawiono obliczenia sprawzające wykonane za pomocą programu komputerowego GEO5 (2016). Zwrócono szczególną uwagę na zaganienia związane z obliczaniem parć gruntu nasypowego na blok gruntu zbrojonego, homogenizację warstwowego położa i wpływu zmian poziomu zwierciała woy gruntowej na nośność położa. Zaganienia te nie są zbyt szeroko analizowane w literaturze naukowej. 2B (Bowles, 1996; Szypcio i Dołżyk, 2006) jest również uża. Zatem prawie zawsze przy projektowaniu ścian oporowych z gruntu zbrojonego mamy o czynienia z położem uwarstwionym. Rozstaw warstw zbrojenia geosyntetycznego jest zależny o wytrzymałości zastosowanego geosyntetyku, warunków połączenia geosyntetyku z obuową i warunków zagęszczenia materiału zasypowego. Jako grunt zasypowy zwykle stosuje się materiał obrze przepuszczający woę, obrze zagęszczający się, zapewniający obry kontakt z geosyntetykiem, nie powoujący zniszczenia geosyntetyku w czasie buowy i korozji w czasie wieloletniej eksploatacji buowli (Wysokiński i Kotlicki, 2008; BS , 2010). W analizowanym przykłazie zakłaa się obciążenie taborem samochoowym o intensywności q = 15,0 kpa. Postawowe charakterystyczne parametry gruntów położa, zasypki i nasypu przestawiono w tabeli Geometria i warunki gruntowo-wone Geometrię, analizowanej ściany oporowej z gruntu zbrojonego geosyntetykiem pokazano na rysunku 2. Zwykle jako H oznacza się wysokość, zaś B jest szerokością bloku gruntu zbrojonego (Wysokiński i Kotlicki, 2008; EBGEO, 2011). Zaleca się aby B 0,7 H (Wysokiński i Kotlicki, 2008; EBGEO, 2011; Clayton i in., 2013;). Zagłębienie bloku gruntu zbrojonego (h f) wynika z warunku nośności (wypierania gruntu spo funamentu), głębokości przemarzania, niebezpieczeństwa okopania, rozmycia i innych warunków, które mogą wystąpić w czasie eksploatacji buowli (BS , 2010). W Polsce przyjmuje się, że minimalne zagłębienie funamentów nie może być mniejsze niż 0,5 m la gruntów niewysazinowych położa. Dla gruntów wysazinowych ekonomicznym rozwiązaniem jest wymiana gruntu wysazinowego na niewysazinowy po blokiem gruntu zbrojonego w strefie przemarzania. Najczęściej ściany oporowe z gruntu zbrojonego mają znaczną wysokość, zatem również użą szerokość, i tym samym, aktywna miąższość warstwy położa wynosząca Rys. 2. Geometria i warunki gruntowo-wone Tab. 1. Charakterystyczne wartości parametrów gruntów Grunt Opis Rozaj Symbol Ciężar objętościowy, k sat Kąt tarcia wewnętrznego,k Efektywna spójność ' c,k [kn/m 3 ] [ o ] [kpa] Zasypka Piasek gruby (CSa) G1 18,0 / 20, Nasyp Piasek śreni (MSa) G2 18,2 / 20, Położe Piasek robny (FSa) G3 17,5 / 19, Glina (Cl) G4 19,5 / 19, Piasek śreni (MSa) G5 18,5 / 20,

56 Zenon SZYPCIO, Katarzyna DOŁŻYK-SZYPCIO Korpus ściany oporowej z gruntu zbrojonego z reguły jest posaowiony na warstwie funamentowej o k > 10 5 m/s i moule okształcenia pierwotnego oznaczonym płytą VSS nie mniejszym niż MPa, w zależności o sztywności konstrukcji osłonowej (Wysokiński i Kotlicki, 2008). W analizowanym przypaku nie ma potrzeby wykonywania warstwy funamentowej i pierwsza warstwa geosyntetyku jest ukłaana bezpośrenio na wyrównanym położu. 3. Parcie gruntu na blok gruntu zbrojonego Postawowym oziaływaniem na ścianę oporową z gruntu zbrojonego geosyntetykiem jest parcie gruntu. Ze wzglęu na możliwość okształceń i małych przemieszczeń bloku gruntu zbrojonego geosyntetykiem generowane jest parcie czynne na płaszczyźnie kontaktu bloku i gruntu nasypowego (Wysokiński i Kotlicki, 2008; BS , 2010; EBGEO, 2011). Schematycznie geometrię i wykresy skłaowych parć jenostkowych pokazano na rysunku 3. Doatnie wartości kątów α i β mierzone są w kierunku przeciwnym o ruchu wskazówek zegara. Skłaowe poziome parć jenostkowych wyrażają równania: z Kah e a h ea cos (4) q Kah e aqh eaq cos (5) zaś skłaowe pionowe: z Kav e a v ea sin (6) q Kav e aqv eaq sin (7) gzie: K cos (8) ah K a K tan K K (9) av a sin ah Zgonie z Eurokoem 7 (PN-EN1997-1, 2008) skłaowe normalne jenostkowego parcia czynnego mają postać: e a n z Kn (10) e aqn q K n (11) gzie: q q cos 2 (12) q * jest wartością obciążenia prostopałą o naziomu liczoną na jenostkę powierzchni naziomu (PN-EN , 2008). 1 sin sin 2m K w n exp 2 tan (13) 1 sin sin 2mt Rys. 3. Wykresy jenostkowych parć całkowitych oraz skłaowych normalnych i poziomych Jenostkowe parcie całkowite gruntu niespoistego na płaszczyznę ochyloną o pionu o kąt α, la naziomu nachylonego po kątem β o poziomu, obciążonego stałym obciążeniem pionowym o intensywności q liczonej na jenostkę rzutu naziomu na płaszczyznę poziomą, może być określone ze wzoru Coulomba: o ciężaru własnego: e a z K a (1) o obciążenia naziomu: e aq q K a (2) gzie współczynnik całkowitego parcia czynnego: 2 cos 1 K a (3) 2 cos 2 sin sin cos 1 cos cos Kąty m t, m w i ν la gruntu niespoistego wyrażają równania: cos 2 0 m t (14) sin cos2m w (15) sin m m ;[raiany] (16) t w Skłaowe poziome parć jenostkowych: ah e a h ea cos z K cos z K (17) e aqh e n aqn cos zaś skłaowe pionowe: e e n q Kn cos q Kah (18) a v ean sin z Kn sin z Kav (19) aqv e aqn av sin q K sin q K (20) n 255

57 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) gzie: K ah K n cos (21) av ah K K sin K tan (22) n Konieczne jest niezależne obliczanie skłaowych parć o ciężaru gruntu (obciążenia stałego) i obciążenia naziomu (obciążenia zmiennego) ze wzglęu na różne wartości współczynników obciążenia la obciążeń stałych i zmiennych (PN-EN , 2008; PN-EN /Ap1, 2010) przy obliczaniu wartości obliczeniowych parć. W obliczeniach najbarziej wygone jest wykorzystanie skłaowych poziomych i pionowych parć (EBGEO, 2011). Przy obliczeniach parć czynnych korzystając z klasycznego wzoru Coulomba i wzoru poanego w Eurokozie 7 otrzymuje się prawie ientyczne wartości parć (PN-EN , 2008). Znaczące różnice otrzymuje się przy obliczeniach oporu gruntu (PN-EN , 2008), zatem K ah K * ah i K aν K * aν. Kąt δ jest kątem tarcia gruntu o konstrukcję (gruntu o płaszczyznę kontaktu z blokiem gruntu zbrojonego). Zgonie z zaleceniami EBGEO (2011) i poręcznika programu GEO5 (2016) można go przyjmować jako wartości kąta tarcia gruntu nasypowego (δ = 2/3 φ 2). Zgonie z normą PN-83/B Ściany oporowe. Obliczenia statyczne i projektowanie przy występowaniu obciążeń ynamicznych można przyjmować δ = 0. Brak skłaowej pionowej la ściany pionowej i poziomego naziomu (δ = 0) zalecają Bon i Harris (2008) oraz norma BS :2010. Zaniem autorów artykułu przyjęcie δ = 0 prowazi o oatkowego, nieracjonalnego przyrostu zapasu bezpieczeństwa. 4. Warunki utraty stateczności zewnętrznej Schematy utraty stateczności zewnętrznej ściany oporowej z gruntu zbrojonego pokazano na rysunku 4. Rys. 4. Schematy utraty stateczności zewnętrznej Przy analizie stateczności zewnętrznej rozważa się: poślizg bloku gruntu zbrojonego po położu lub powierzchni poślizgu w niższych warstwach gruntu po postawą, obrót wzglęem krawęzi zewnętrznej, wypieranie gruntu położa spo postawy bloku, stateczność ogólną. Przy analizie stateczności zewnętrznej rozważane są różne kombinacje i sytuacje obliczeniowe pokazane na rysunku 5. Rys. 5. Kombinacje obciążeń: a) kombinacja K1, b) kombinacja K2, c) kombinacja K3 Kombinacja K1 otyczy obciążenia naziomu znajującego się na blokiem gruntu zbrojonego i nasypu, kombinacja K2 obciążenia naziomu tylko na nasypem, a kombinacja K3 obciążenia naziomu tylko na blokiem gruntu zbrojonego. Przy analizie stateczności zewnętrznej rozważane są różne stany: GEO (poejście obliczeniowe 2 i 3) oraz EQU (Bon an Harris, 2008; PN-EN /Ap1, 2010). Wartości współczynników częściowych oziaływań, materiałów i oporów zgonie z Eurokoem 7 (PN-EN , 2008; PN-EN /Ap1, 2010) poano w tabeli 2. Tab. 2. Współczynniki częściowe weług Eurokou 7 Współczynniki częściowe Obrót (*) Wypieranie Stateczność Opis Symbol i poślizg ogólna Oziaływania stałe niekorzystne 1,1 1,35 1,0 γg korzystne 0,9 1,0 1,0 zmienne niekorzystne 1,35 1,5 1,3 γq korzystne Kąt tarcia (tan φ) γφ 1,25 1,0 1,25 Materiały Efektywna kohezja (c ) γc 1,25 1,0 1,25 Wytrzymałość bez opływu (cu) γcu 1,4 1,0 - Ciężar objętościowy (γ) γγ 1,0 1,0 1,0 Nośność położa γrν - 1,4 - Opory Poślizg γrh - 1,1 - Opór gruntu γre - - 1,0 Objaśnienia: (*) współczynniki poane przez Bona i Harrisa (2008). 256

58 Zenon SZYPCIO, Katarzyna DOŁŻYK-SZYPCIO Geometrię i oziaływania rozważane przy stateczności zewnętrznej ściany oporowej z gruntu zbrojonego pokazano schematycznie na rysunku 6. Wartości obliczeniowe oziaływań stałych i zmiennych otrzymane z przemnożenia wartości oziaływań charakterystycznych przez opowienie współczynniki obciążenia γ G i γ Q w zależności o sytuacji obliczeniowej niekorzystnej i korzystnej la stanów GEO, pokazano w tabeli 3. Kombinacja K3 jest analizowana w obliczeniach programem GEO5. Przy tej kombinacji otrzymuje się maksymalną wartość siły pionowej i jenocześnie minimalną wartość momentu, zatem nie jest ona alej analizowana w artykule. 5. Poślizg Rys. 6. Schemat oziaływań na ścianę oporową Wartość charakterystyczna ciężaru bloku gruntu zbrojonego wynosi: G k H B 18,0 5,0 4,0 360 kn/ m (23), 1 Przy analizie warunków poślizgu rozważa się stany GEO la najbarziej niekorzystnej kombinacji obciążeń i sytuacji obliczeniowej K2 (rys. 7). Przy kombinacji K2 występują maksymalne oziaływania (skłaowe poziome parcia gruntu na ścianę) i minimalne wartości oporów na płaszczyźnie kontaktu bloku gruntu zbrojonego z położem. Charakterystyczna wartość sumarycznej siły o obciążenia zmiennego na blokiem gruntu zbrojonego: Q k q B 15,0 4,0 60 kn/ m (24), Wartości charakterystyczne skłaowych poziomych i pionowych parć są równe: Eah, k Kah H 2 2 0,5 18,5 0,256 5,0 59,2 kn/ m (25) Eaqh, k q Kah H 15,0 0,256 5,0 19,2 kn/ m (26) Eav, k Eah, k tan 2,k E 59,2 tan ,1 kn/ m 2, k (27) E tan 2, 7,50 kn m (28) aqv, k aqh, k k / Zwykle pomija się opór gruntu (E pγh i E pγν) przy obliczeniach stateczności zewnętrznej ściany oporowej z gruntu zbrojonego. Opowiaa to sytuacji gy ściana jest okopana. Rys. 7. Schemat sił ziałających na blok ze wzglęu na poślizg i obrót Należy zauważyć, że skłaowe pionowe parć są oziaływaniami korzystnymi, zatem można by stosować inne (minimalne) współczynniki obciążenia niż o skłaowych poziomych. Takie postępowanie jest jenak nieopuszczalne (Bon i Harris, 2008). W tych samych obliczeniach nie można stosować różnych współczynników la tych samych obciążeń (parcia). Tab. 3. Wartości obliczeniowe oziaływań stanu GEO Oziaływanie Kombinacje i sytuacje obliczeniowe Nazwa Jenostka K1 K2 K3 G kn/m 486,0 360,0 486,0 Q kn/m 90,0 0 90,0 E aγh, kn/m 79,9 79,9 59,2 E aqh, kn/m 28,8 28,8 0 E aγv, kn/m 31,2 31,2 23,1 E aqh, kn/m 11,3 11,

59 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) Zatem wartość obliczeniowa siły poziomej wynosi: H, Ea h, Eaqh, 79,9 28,8 108,7 kn/ m (29) Dla rozważanego w artykule przykłau pierwsza warstwa geosyntetyku ukłaana jest bezpośrenio na położu (grunt G3). Kąt tarcia pomięzy geosyntetykiem a gruntem powinien być określony oświaczalnie. Przyjmuje się jenak, że la wielu geotkanin kąt tarcia może być określony z równania: tan, tan3, k 0,8 tan31 0,481 (30) Wartość oporu w płaszczyźnie kontaktu: R h G Ea E, v, aqv, tan, 360,0 31,2 11,3 0, ,6kN/ m Wartość obliczeniowa oporu: R (31) R 193,6 1,1 176,0 kn m (32) h, h Rh / Współczynnik wykorzystania nośności ze wzglęu na poślizg wynosi: h H R, h, 108,7 0, ,6 56,1% (33) Zatem warunek na poślizg jest spełniony, gyż Δ h < 1,0 (100%) 6. Obrót Przy analizie stateczności na obrót opory nie są zależne o właściwości gruntów położa, zatem powinien być rozważany stan EQU, a nie GEO zgonie z Eurokoem 7 (Bon i Harris, 2008; PN-EN , 2008). Najbarziej niekorzystną jest kombinacja obciążeń i sytuacja obliczeniowa K2 pokazana na rysunku 7. Współczynniki częściowe przestawiono w tabeli 2. Parcie gruntu nasypowego traktuje się jako oziaływanie globalnie niekorzystne, zatem wartości obliczeniowe skłaowych parć obliczono z równań: Ea h, Eah, k G 59,2 1,1 65,1 kn/ m (34) Eaqh, Eaqh, k Q 19,2 1,35 25,9 kn/ m (35) Ea v, Eav, k G 23,1 1,1 25,4 kn/ m (36) Eaqv, Eaqv, k Q 7,50 1,35 10,1 kn/ m (37) Ciężar własny bloku wraz z obciążeniem zmiennym jest oziaływaniem korzystnym, zatem G G 360,0 0,9 324,0 kn m (38),, k G / momentu obracającego wynosi: M o, Ea h, 1 H E 3 aqh, 1 H 2 65,1 0,333 5,0 25,9 0,5 5,0 108,5 64,8 173,3 knm/ m Obliczeniowa wartość momentu utrzymującego: 1 Mu, G, B 2 324,0 0,5 4,0 Eav, Eaqv, 648,0 142,0 790,0 knm/ m B 25,4 10,1 4,0 Współczynnik wykorzystania nośności: o M M o, u, 173,3 0,219 21,9 % 790,0 (40) (41) (42) Warunek na obrót jest spełniony. Dla ścian oporowych z gruntu zbrojonego o stałej ługości zbrojenia zwykle momenty utrzymujące są kilkakrotnie większe o momentów wywracających i często warunek ten nie jest analizowany (Bon i Harris, 2008). Każy przypaek, zaniem autorów, powinien być jenak rozpatrywany inywiualnie. 7. Wypieranie położa Zwykle przy analizowaniu wypierania spo postawy analizowane są wie kombinacje i sytuacje obliczeniowe: kombinacja z maksymalną wartością siły pionowej i kombinacja z maksymalnym mimośroem. W przypaku analizowanego w pracy przykłau są to opowienio kombinacje K1 i K2. Dla analizowanych kombinacji oziaływań rozważane bęą wie sytuacje obliczeniowe wynikające ze zmiany poziomu zwierciała wó gruntowych (rys. 2). Sytuacja obliczeniowa przy której zwierciało woy gruntowej znajuje się poniżej strefy aktywnej położa (poniżej z = 2B) ze wzglęu na nośność (z w > 8,6 m) zwaną sytuacją bez woy i sytuacja obliczeniowa, przy której zwierciało woy gruntowej jest na poziomie posaowienia ściany oporowej z gruntu zbrojonego (z w = 0,6 m) zwaną wysoka woa. Schematycznie siły i geometrię ściany pokazano na rysunku 8 la kombinacji K1. Zgonie z Eurokoem 7 (PN-EN , 2008; PN-EN /Ap1, 2010) nośność położa obliczono la warunków z opływem. Warstwa gliny o I L = 0,6 jest warstwą słabą, ale ma obre warunki renażu i przy powolnej buowie ściany oporowej z gruntu zbrojonego nie występują warunki bez opływu. Q Q Q 0 kn m (39) (38),, k / Nie uwzglęniając oporu gruntu o strony zewnętrznej ściany oporowej, wartość obliczeniowa 258

60 Zenon SZYPCIO, Katarzyna DOŁŻYK-SZYPCIO metoy homogenizacji położa warstwowego. Barzo prosta metoa opisana przez Bowlesa (1996) oraz Szypcio i Dołżyk (2006), zwana alej homogenizacją HB, zgonie z którą uśrenione parametry położa oblicza się jako śrenią ważoną parametrów warstw aktywnych. Zatem la rozważanego przypaku: 3h3 4h4 5h5 śr (54) 2B tan h tan h tan h tan śr (55) 2B Rys. 8. Schemat sił ziałających na blok przy wypieraniu gruntu spo postawy Zatem nośność położa można wyznaczyć z równania (Bon an Harris, 2008; PN-EN , 2008): R V A c N b s i qn b s i 0, 5 BN b s i (43) śr c c c c q q q q śr gzie la analizowanego przykłau współczynniki: nośności ' tan ' śr 2 N tan 45 śr q e 2 N N ' cot ś c N q 1 r (44) (45) ' N q 1 tan ś 2 r szorstka postawa (46) nachylenia bc bq b 1 pozioma postawa (47) kształtu sc s s 1 la B /L =0 (48) q nachylenia obciążenia 1 i q c iq (49) ' Nc tanśr i H, iq 1 ' ' N, A c cot 2 ' śr (50), 3 i 1 (51) ' ' ' N, A c cotśr H Przy obliczeniu oziaływań na 1 mb ściany: ' ' A B 1 2e (52) e M, (53) N, W literaturze przestawione są wie postawowe ' ' ' ' c h3 c h4 c h5 c ś r (56) 2B Charakterystyczne i obliczeniowe wartości parametrów położa homogenizowanego przy poziomie woy gruntowej 8,0 m poniżej postawy bloku wynosi: śr, k śr, 17,5 1,5 19,5 2,0 18,5 4,5 3 18,6 kn/ m 8,0 tan31 1,5 tan11 2,0 tan32 4,5 tan ś r 8,0 0,513 (57) (58) śr, k śr, 27, 15 (59) ' c ' 0 1,5 19 2,0 0 4,5 c 4,75 kpa (60) r, 8,0 śr, k ś Przy wzroście poziomu zwierciała woy gruntowej o poziomu postawy bloku z gruntu zbrojonego zakłaa się, że zmiana poziomu woy gruntowej nie zmieni parametrów wytrzymałościowych gruntów położa, a jeynie bęzie wywoływała siłę wyporu zmniejszając znacząco ciężary objętościowe. Uwzglęniając wypór woy ciężary objętościowe gruntów poszczególnych warstw są równe: ' sat w (61) Zatem: ' ,9 10,0 9,9 kn/ m (62a) ' ,8 10,0 9,8 kn/ m (62b) ' ,0 10,0 10,0 kn/ m (62c) Wartość śrenia ciężaru objętościowego gruntu homogenizowanego jest równa: ' ' śr, k śr, 9,9 1,5 9,8 2,0 10,0 4,5 3 9,93 kn/ m 8,0 (63) Inną metoę homogenizacji położa warstwowego przestawiono w poręczniku użytkownika programu 259

61 Civil an Environmental Engineering / Buownictwo i Inżynieria Śroowiska 7 (2016) komputerowego GEO5, zwaną alej metoą homogenizacji HG. Tę metoę homogenizacji położa przestawiono na rysunku 9. Rys. 9. Schemat homogenizacji położa warstwowego metoą HG Zgonie z powyższą propozycją: l l l l l3 ś r (64) 5 li i1 ' ' ' c l1 l5 c l2 l4 c l ' c ś r (65) 5 l i i1 3 A1 4 A2 5 A3 ś r (66) 3 Ai i1 poszczególnych warstw (rys. 9). Wartości l i i A i są funkcją śreniej wartości kąta tarcia wewnętrznego (φ śr), zatem mogą być znalezione metoą iteracyjną. Bez użycia programu komputerowego ta proceura homogenizacji położa jest barzo truna o zastosowania. W tabeli 4 pokazano uśrenione wartości parametrów położa homogenizowanego metoą HB i HG, w przypaku braku woy w strefie aktywnej oraz la pełnego zatopienia strefy aktywnej. Zatem korzystanie z różnych proceur homogenizacji ma wpływ na wyznaczaną nośność położa. Sprawzenie warunku na wypieranie metoą klasyczną przy wykorzystaniu wzorów poanych w Eurokozie 7 (PN-EN , 2008; PN-EN /Ap1, 2010), wóch meto homogenizacji położa warstwowego i wóch poziomów zwierciała wó gruntowych przestawiono w tabeli 5. Uział zagłębienia ściany oporowej (h f = 0,6 m) la analizowanego przypaku stanowi pona 25% całkowitej nośności położa. Inżynierowie często w obliczeniach pomijają wpływ zagłębienia, komentując to możliwością czasowego okopania ściany poczas jej wieloletniej eksploatacji. Ze wzglęu na uży zasięg klina wyporu takie postępowanie uznać należy jako nieracjonalne. Z analizy wynika, że homogenizacja warstwowego położa metoą HG prowazi o kilku- o kilkunasto procentowego wzrostu poziomu bezpieczeństwa buowli. Wzrost poziomu zwierciała woy gruntowej znacznie obniża nośność położa, szczególnie la położy zbuowanych z gruntów niespoistych w warunkach stałego wzrostu ciśnienia hyrostatycznego. W gruntach spoistych może występować naporowe ZWG. Przypaek taki wymaga inywiualnej analizy. Wykonane obliczenia (niepokazane w pracy) owozą, że ściana oporowa o B = 3,5 m (B = 0,7H) nie spełnia wymaganego w Eurokozie 7 (PN-EN , 2008) warunku na wypieranie przy wysokim poziomie woy gruntowej. gzie l i są to ługości linii poślizgu w poszczególnych warstwach, zaś A i pola zawarte wewnątrz linii poślizgu Tab. 4. Uśrenione parametry zhomogenizowanego położa Woa w strefie aktywnej HB Proceura obliczeń γśr φśr c śr γśr φśr c śr [kn/m 3 ] [ o ] [kpa] [kn/m 3 ] [ o ] [kpa] Brak woy 18,62 27,15 4,75 18,50 24,90 6,21 Wysoka woa 9,93 27,15 4,75 9,82 24,90 6,21 HG 260

62 Zenon SZYPCIO, Katarzyna DOŁŻYK-SZYPCIO Tab. 5. Wyniki sprawzenia warunku na wypieranie Kombinacja K1 Kombinacja K2 Wielkość Jenostka Brak woy Wysoka woa Brak woy Wysoka woa HB HG HB HG HB HG HB HG N, kn/m 618,5 402,5 H, kn/m 108,7 108,7 M, knm/m 120,3 120,3 e m 0,195 0,299 B m 3,61 3,40 q kpa 10,5 10,5 φśr o 27,15 18,50 27,15 18,50 27,15 18,50 27,15 18,50 c śr kpa 4,75 6,21 4,75 6,21 4,75 6,21 4,75 6,21 γśr kn/m 3 18,63 18,50 9,93 9,81 18,63 18,50 9,93 9,81 Nq - 13,42 10,55 13,42 10,55 13,42 10,55 13,42 10,55 Nc - 24,22 20,57 24,22 20,57 24,22 20,57 24,22 20,57 Nγ - 12,74 8,87 12,74 8,87 12,74 8,87 12,74 8,87 bc = bq = bγ - 1,0 1,0 sc = sq = sγ - 1,0 1,0 ic - 0,669 0,669 0,527 0,528 0,527 0,528 iq - 0,694 0,694 0,562 0,588 0,562 0,588 iγ - 0,578 0,578 0,422 0,451 0,422 0,451 RV kn/m 1543,8 1107,2 1158,7 878,3 884,7 677,3 γrv - 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 RV, kn/m 1102,7 790,8 827,6 627,3 631,9 483,8 ΔV % 56,0 78,2 48,6 64,2 63,6 83,2 8. Stateczność ogólna Przy analizie stateczności ogólnej poszukuje się najbarziej niebezpiecznej powierzchni poślizgu nieprzecinającej bloku gruntu zbrojonego. Warunek stateczności ogólnej ma postać: M o, Mu, (67) gzie M o, jest obliczeniową wartością momentu obracającego, zaś M u, obliczeniową wartością momentu utrzymującego. Wartości M o, i M u, obliczać należy zgonie z Eurokoem 7 (PN-EN , 2008) la trzeciego poejścia obliczeniowego. Współczynnik wykorzystania nośności na postać: S M M o, u, 100% (68) Dla przykłau rozpatrywanego w pracy analizę stateczności ogólnej wykonano przy użyciu programu GEO5. Obliczenia przeprowazono metoą Bishopa z automatyczną optymalizacją wyboru najbarziej niebezpiecznego położenia powierzchni poślizgu. Wynik analizy wykonanej zgonie z Eurokoem 7 pokazano na rysunku 10. Rys. 10. Stateczność ogólna ściany oporowej z gruntu zbrojonego Najbarziej niekorzystna powierzchnia poślizgu w znacznym stopniu przebiega w słabej warstwie gliny. Współczynnik wykorzystania wynosi Δ s = 77,7%, zatem stateczność ogólna ściany jest zapewniona. 261