Analýza trvanlivosti preimyselných komínov
Priemyselné komíny sú inžinierske stavby, ktoré okrem statických a dynamických účinkov, priamych a nepriamych zaťažení, sú vystavené aj významným nestacionárnym environmentálnym zaťaženiam. Analýza ich trvanlivosti sa sústreďuje na hodnotenie zvislých trhlín, priebeh korózie betónu a betonárskej výstuže, ktoré majú rozhodujúci vplyv na odolnosť drieku komína z hľadiska medzných stavov únosnosti, používateľnosti i trvanlivosti.
1. Úvod
Valcovité inžinierske konštrukcie, akými sú nádrže, silá, komíny a chladiace veže majú veľký pomer medzi plochou vystavenou obklopujúcemu prostrediu a prierezovými rozmermi. Vzhľadom na charakter týchto konštrukcií je ich spoľahlivosť, tzn. odolnosť, používateľnosť a trvanlivosť, najviac ohrozená objemovými zmenami od teplotných účinkov a koróziou betónu a výstuže od agresivity prostredia. V priemyselných komínoch sa navyše často vyskytuje poddimenzovanie vodorovnej výstuže drieku. Uvedené účinky sú príčinou vzniku a rozvoja zvislých trhlín, ktoré môžu spôsobiť čiastočnú alebo úplnú stratu schopnosti komína plniť požadované funkcie. Táto strata je vymedzená podmienkami, za ktorých sa dosiahne niektorý z medzných stavov. Na základe stavebno-technických posudkov viacerých priemyselných komínov po 30 až 40ročnej prevádzke sa uvádzajú skúsenosti zo stanovenie ich zvyškovej životnosti.
2. Zvislé trhliny v drieku komína
Komíny sú zaťažené predovšetkým vlastnou tiažou, vetrom, seizmicitou, účinkami objemových zmien a environmentálnym zaťažením. V betónovom drieku komína vzniká účinkom vysokej teploty odvádzaných spalín (do 300 °C) pomerne veľký teplotný spád. Betónový driek je síce z vnútornej strany chránený protidifúznym systémom a tepelnou izoláciou puzdra, ktoré je však po niekoľkých desiatkach rokov prevádzky komína väčšinou nefunkčné. Na železobetónových komínoch sa preto často pozoruje vznik a rozvoj zvislých deliacich trhlín, často aj s výtokom kondenzátu.
Obrázok 1.: Vznik zvislých trhlín v drieku komína od teplotného spádu
Príčinou vzniku týchto trhlín je vodorovne pôsobiace ohybovo-ťahové namáhanie betónového drieku komína v dôsledku rozdielu teplôt na vonkajšom a vnútornom povrchu. V zimnom období, keď spád teplôt pri prevádzke komína môžeme zapísať v tvare Ti » Te (obr. 1a), vznikajú zvislé trhliny na vonkajšom povrchu. Ak je komín mimo prevádzky, dochádza za slnečného počasia k obrátenému spádu teplôt (Ti < Te), ktorý vyvoláva ťahové napätia na vnútornej strane drieku, ktorá často vôbec nie je vystužená, čo vedie k vzniku menšieho množstva širokých deliacich trhlín (obr. 1b).
Vzniku týchto trhlín sa dá ťažko vyhnúť. Ak ich šírka a napätie vo výstuži neprekročia určité limitné hodnoty, väčšinou nie je ohrozená bezpečnosť a používateľnosť komína. V každom prípade majú však nepriaznivý vplyv na jeho trvanlivosť. Železobetónový driek komína je v zmysle STN EN 206/NA vystavený stupňom prostredia:
- na vonkajšom povrchu drieku komína: XC4 a vo výške približne šesť-násobku najmenšieho priemeru komína od koruny aj XA1,
- na vnútornom povrchu drieku komína: XC3 a XA3.
Pre prostredie XC4 odporúča STN EN 1992-1-1 maximálnu šírku trhlín 0,3 mm. STN EN 13084-2 pripúšťa maximálnu šírku trhlín podľa tab. 1.
| Stupeň prostredia | max. wk [mm] |
|---|---|
| XA2, XA3, XD3, XS1 | 0,2 |
| všetky ostatné stupne | 0,3 |
Šírku trhlín a veľkosť napätia výstuže v trhline možno usmerniť druhom, množstvom, priemerom a tvarom povrchu vodorovnej prstencovej výstuže. Navyše sú ovplyvnené aj pevnosťou betónu, hrúbkou steny a krycej vrstvy. V tab. 2 je uvedený prehľad o vývoji požiadaviek na minimálny stupeň vystuženia vodorovnou prstencovou výstužou v medzinárodných a zahraničných normových predpisoch.
| Predpis | Rok vydania | min. stupeň vystuženia [%] | |
|---|---|---|---|
| vnútorný povrch | vonkajší povrch | ||
| DIN 1056 | 1959 | spolu 0,15 | |
| ACI 307 | 1969 | spolu 0,20 | |
| DIN 1056 | 1969 | 0,1 | 0,15 |
| ACI 307 | 2008 | 0,1 | 0,1 |
| CICIND | 1984 | 0,1 | 0,1 |
| DIN 1056 | 1984 | 0,2 | 0,2 |
| EN 13084-2 | 2007 | 0,15 | 0,15 |
| EN 1998-6 | 2010 | spolu 0,25 | |
Hodnoty v tabuľke dokumentujú postupné pochopenie významu vodorovnej výstuže s rastúcou úrovňou poznania účinkov objemových zmien a sú reakciou na široké zvislé trhliny v starších komínoch: zvýšenie minimálneho stupňa vystuženia vodorovnou výstužou z 0,15 na 0,4 %.
V EN 1998-6 sa uvádzajú normové požiadavky na konštrukčné zásady pre usporiadanie výstuže:
- osová vzdialenosť medzi zvislou výstužou ≤ 250 mm
- osová vzdialenosť medzi vodorovnou výstužou ≤ 200 mm.
Minimálne krytie výstuže cmin je 30 mm, pre stupeň XA3 40 mm a Δcdev = 10 mm [STN EN 13084-2].
Vzhľadom na nedostatočné vystuženie drieku komínov vodorovnou výstužou pri vonkajšom povrchu a častú absenciu výstuže pri vnútornom povrchu vznikajú široké zvislé trhliny. Ak je napätie vo vodorovnej výstuži väčšie ako medza klzu použitej ocele dochádza k plastickému pretváraniu výstuže v trhline a s tým spojenému narastaniu šírky trhlín. Ak sa uváži zároveň prebiehajúca korózia výstuže v trhline, je zrejmé, že s narastajúcou šírkou trhlín dochádza k rozdeleniu prstencového prierezu drieku komína na niekoľko viac-menej samostatne pôsobiacich segmentov. Segmenty oproti uzavretému prstencovému prierezu majú podstatne menšiu ohybovú tuhosť, čo vyvoláva nepriaznivejšie rozdelenie zvislých napätí a nárast priehybu komína od účinkov vodorovného zaťaženia.
3. Korózia betónu a výstuže
3.1 Korózia betónu
Stupne vplyvu prostredia uvádza STN EN 206/NA [2]. Na základe zloženia komínom odvádzaných spalín možno predpokladať, že na vnútornom povrchu betónu drieku komína sa najčastejšie vyskytuje stupeň prostredia XA3. STN EN 1992-1-1 uvádza v prílohe E indikatívne pevnostné triedy pre trvanlivosť. Pre stupeň prostredia XA3 je indikatívna pevnostná trieda betónu C35/45. Navrhované, ako aj skúškami zisťované pevnostné triedy betónu, väčšinou nevyhovujú požiadavkám na pevnostnú triedu betónu C35/45. Degradácia betónu na vnútornom povrchu drieku komína je významná aj z hľadiska statického, resp. dynamického overenia železobetónového drieku komína. Aj na základe tejto skutočnosti treba zvýrazniť potrebu kvalitatívne vyššej ochrany vnútorných povrchov drieku komínov, než ako ju zabezpečujú existujúce pôvodné vypuzdrenia komínov.
Na ochranu betónu na vonkajšom povrchu drieku a ochodze komínov (stupeň prostredia XA1) a spomalenie postupu karbonatácie betónu treba obnovovať sekundárnu ochranu betónu pružným náterovým systémom s veľkým difúznym odporom voči CO2 a priepustným pre vodnú paru.
3.2 Pasívne štádium korózie výstuže
Pri úplnej karbonatácií dochádza za normálnych podmienok k poklesu pH pórového roztoku na hodnotu okolo 8,3. Táto hodnota nezabezpečuje alkalickú ochranu výstuže. Za predpokladu dostatočnej vlhkosti betónu a možnosti difúzie kyslíka sú tak vytvorené podmienky pre koróziu výstuže.
Na odhadnutie dĺžky pasívneho štádia výstuže drieku komína sa stanovuje difúzna konštanta betónu Db zo vzťahu:
kde x je hĺbka karbonatácie betónu zistená na čerstvej lomovej (reznej) ploche pomocou acidobázického indikátora.
Priebeh postupu karbonatácie betónu vo zvolených časových intervaloch sa vypočíta zo vzťahu
Obrázok 2.: Predpokladaný postup a rozptyl karbonatácie betónu po 40 rokoch
Grafické znázornenie priebehu a rozptylu karbonatácie betónu drieku komína na základe hĺbky karbonatácie zistenej po 40ročnej prevádzke komína sú znázornené na obr. 2.
Pre výstuž drieku komína, ktorá sa nachádza v karbonatizovanej oblasti sú splnené všetky podmienky pre koróziu ocele v betóne (vlhkosť, neutralizácia betónu v okolí výstuže a prístup kyslíka k anóde korózneho článku). Na základe obrázku priebehu karbonatácie betónu v čase možno predpokladať, či je výstuž s veľkou pravdepodobnosťou v pasívnom alebo aktívnom štádiu korózie výstuže. Na ochranu výstuže s krycou vrstvou väčšou ako hĺbka karbonatácie stačí urobiť aktívne opatrenia na spomalenie postupu karbonatácie betónu (napr. obnovou náterového systému s veľkým difúznym odporom pre CO2).
3.3 Aktívne štádium korózie výstuže
Aktívne štádium korózie výstuže sa považuje za ukončené ak nastane neakceptovateľná strata prierezovej plochy výstuže alebo ak sa v betónovej krycej vrstve zistia trhliny vyvolané koróziou výstuže. Časový úsek do prejavenia uvedených porúch sa stanovia zo vzťahu [5]
kde je
- ta
- aktívne štádium [roky]
- d
- hrúbka krycej vrstvy [mm]
- Ø
- priemer výstuže [mm]
- vcorr
- korózne úbytky ocele [µm/rok]
Ak nie sú známe špecifické dáta betónu a prostredia konštrukcie, rýchlosť korózie výstuže sa môže stanoviť z tab. 3.
| Stupeň prostredia | vcorr [µm/rok] | ||
|---|---|---|---|
| Vnútrozemské | Vysoká vlhkosť | IIa | 3 |
| Priemerná vlhkosť | IIb | 2 | |
| Morské | Vzdušné | IIIa | 20 |
| Pod hladinou | IIIb | 4 | |
| Prílivové | IIIc | 50 | |
| Prostredie s chloridmi mimo morského | IV | 20 | |
Železobetónový driek komína je v zmysle STN EN 206/NA vystavený stupňom prostredia:
- XC4, v zónach C a B aj XA1 – vonkajší povrch drieku komína
- XC3 a XA3 – vnútorný povrch drieku komína.
Na základe uvedených stupňov agresívnosti prostredia drieku komína sa uvažuje vcorr hodnotou 10 µm/rok.
Po vypočítaní dĺžky pasívneho a aktívneho štádia korózie výstuže je možné predpovedať zvyškovú životnosť komína.
4. Záver
V úvodnej časti príspevku sa stručne analyzujú príčiny vzniku zvislých deliacich trhlín v drieku komína a ich vplyv na jeho ohybovú tuhosť.
Ďalšia časť príspevku je venovaná stanoveniu dĺžky pasívneho a aktívneho štádia korózie výstuže s cieľom zistiť zvyškovú životnosť priemyselných komínov. Dĺžka pasívneho štádia sa stanovila na základe merania hĺbky karbonatácie betónu v aktuálnom čase pomocou vzorca odvodeného z 1. Fickovho zákona, za predpokladu stacionárneho priebehu difúzie CO2. Na zistenie dĺžky aktívneho štádia bol použitý vzorec podľa EHE 08 [5]. Vstupné parametre pre výpočet dĺžky aktívneho štádia sú hrúbka betónovej krycej vrstvy, priemer výstuže a rýchlosť korózie oceľovej výstuže.
5. Poďakovanie
Príspevok vznikol za podpory výskumného projektu VEGA 1/0583/15 „Analýza spoľahlivostných rizík navrhovania a zhotovovania betónových konštrukcií“ a Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. APVV-15-0658.
6. Literatúra
- STN EN 1998-6: Navrhovanie konštrukcií na sezimickú odolnosť, Časť 6: Veže, stožiare a komíny, 2010, 40 str.
- STN EN 206/NA: Betón. Špecifikácia, vlastnosti, výroba a zhoda. Národná príloha. 2015, 52 str.
- STN EN 13084-2: Samostatne stojace komíny, Časť 2: Betónové komíny. 2007, 24 str.
- STN EN 1992-1-1: Navrhovanie betónových konštrukcií, Časť 1-1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre budovy, 2006, 200 str.
- EHE 08: Code on Structural Concrete. Ministerio de Fomento (Spain), 2010, 556 str.
Industrial chimneys are civil engineering works, which in addition to static and dynamic effects, direct and indirect loads, are also exposed to significant non-stationary environmental loads. Analysis of their durability focuses on the evaluation of vertical cracks, corrosion of concrete and reinforcement, which have a decisive influence on the resistance of the chimney's shaft with regard to the ultimate and serviceability limit states, as well as their durability.
