GRADBENI VESTNIK mk-' K m .... GLASILO ZVEZE DRUŠTEV GRADBENIH INŽENIRJEV IN TEHNIKOV SLOVENIJE IN MATIČNE SEKCIJE GRADBENIH INŽENIRJEV PRI INŽENIRSKI ZBORNICI SLOVENIJE Navodila avtorjem za pripravo člankov in drugih prispevkovGlavni in odgovorni urednik: Prof. dr. Janez DUHOVNIK Lektorica: Alenka RAIČ - BLAŽIČ Tehnični urednik: Danijel TUDJINA Uredniški odbor: Mag. Gojmir ČERNE Gorazd HUMAR Doc. dr. Ivan JECELJ Andrej KOMEL Janja PEROVIC-MAROLT Marjan PIPENBAHER Mag. Č rto m ir REMEC Prof. dr. Franci STEINMAN Prof.dr. Miha TOMAŽEVIČ □oc.dr. Branko ZADNIK Tisk: TISKARNA LJUBLJANA d.d. Naklada: 2750 izvodov Revijo izdajata ZVEZA DRUŠTEV GRAD­ BENIH INŽENIRJEV IN TEHNIKOV SLOVENIJE, Ljubljana, Karlovška3, telefon/ faks: 01 4 2 2 -4 6 -2 2 in MATIČNA SEKCIJA GRADBENIH INŽENIRJEV pri INŽENIRSKI ZBORNICI SLOVENIJE ob finančni pom oči M inistrstva RS za šolstvo, znanost in šport, Fakultete za gradbeništvo in geodezijo Univerze v L jub ljan i te r Zavoda za gradbeništvo Slovenije. Podatki o objavah v reviji so navedeni v b ib liografskih bazah COBISS in ICONDA (The International Construction Database). http ://www.zveza-dgits.si Letno izide 12 številk. Letna naročnina za individualne naročnike znaša 5000 SIT; za študente in upoko jence 2000 SIT; za gospodarske naročnike (podjetja, družbe, ustanove, obrtn ike) 4 0 .687 ,5 0 SIT za 1 izvod revije; za naročnike v tu jin i 100 USD. V ceni je vš te t DDV. Poslovni račun se nahaja pri NLB, d.d. Ljubljana,številka: 0 2 0 1 7 - 0 0 1 5 3 9 8 9 5 5 1. Uredništvo sprejema v objavo znanstvene in strokovne članke s področja gradbeništva in druge prispevke, pomembne in zani­ mive za gradbeno stroko. 2. Znanstvene in strokovne članke pred objavo pregleda najmanj en anonimen recenzent, ki ga določi glavni in odgovorni urednik. 3. Besedilo prispevkov mora biti napisano v slovenščini. 4. Besedilo mora biti izpisano z dvojnim presledkom med vrsti­ cami. 5. Prispevki morajo imeti naslov, imena in priimke avtorjev ter besedilo prispevka. 6 . Besedilo člankov mora obvezno imeti: naslov članka (velike črke); imena in priimke avtorjev; naslov POVZETEK in povzetek v slo­ venščini; naslov SUMMARY, naslov članka v angleščini (velike črke) in povzetek v angleščini; naslov UVOD in besedilo uvoda; naslov naslednjega poglavja (velike črke) in besedilo poglavja; naslov razdelka in besedilo razdelka (neobvezno);naslov SKLEP in besedilo sklepa; naslov ZAHVALA in besedilo zahvale (neobvezno); naslov LITERA­ TURA in seznam literature; naslov DODATEK in besedilo dodatka (neobvezno). Če je dodatkov več, so dodatki ozna­ čeni še z A, B, C, itn. 7. Poglavja in razdelki so lahko oštevilčeni. 8 . Slike, preglednice in fotografije morajo biti vključene v besedilo prispevka, oštevilčene in op­ remljene s podnapisi, ki pojas­ njujejo njihovo vsebino. Slike in fotografije, ki niso v elektronski ob lik i, morajo biti priložene prispevku v originalu. 9. Enačbe morajo biti na desnem robu označene z zaporedno številko v okroglem oklepaju. 10. Uporabljena in citirana dela morajo biti navedena med besedilom prispevka z oznako v obliki [priimek prvega avtorja, leto objave]. V istem letu objavljena dela istega avtorja morajo biti označena še z oznakami a, b, c, itn. 11. V poglavju LITERATURA so uporabljena in citirana d la opisana z naslednjimi poda ki: priimek, ime avtorja, priimki in imena drugih avtorjev, nasiov dela, način objave, leto objave. 12. Način objave je opisan s podatki: knjige: založba; revije: ime revije, založba, letnik, številka, strani od do; zborniki: naziv sestanka, organizator, kraj in datum sestanka, strani od do; raziskovalna po roč ila : vrsta poročila, naročnik, oznaka pogodbe; za druge vrste virov: kratek opis, npr. v zasebnem pogovoru. 13. Pod črto na prvi strani, pri prispevkih, krajših od ene strani pa na koncu prispevka, morajo biti navedeni obsežnejši podatki o avtorjih: znanstveni naziv, ime in priimek, strokovni naziv, podjetje ali zavod, navadni in elektronski naslov. 14. Prispevke je treba poslati glavnemu in odgovornemu uredniku prof. dr. Janezu Duhovniku na naslov: FGG, Jamova 2, 1000 LJUBLJANA oz. janez.duhovnik@fgg.uni-lj.si. V spremnem dopisu mora avtor članka napisati, kakšna je po njegovem mnenju vsebina članka (pretežno znanstvena, pretežno strokovna) oziroma za katero rubriko je po njegovem mnenju prispevek primeren. Prispevke je treba poslati v enem izvodu na papirju in v elektronski obliki v formatu MS WORD. Uredniški odbor GRADBENI VESTNIK GLASILO ZVEZE DRUŠTEV GRADBENIH INŽENIRJEV IN TEH­ NIKOV SLOVENIJE IN MATIČNE SEKCIJE GRADBENIH INŽENIRJEV PRI INŽENIRSKI ZBORNICI SLOVENIJE U D K - U D C 0 5 : 6 2 5 ; I S S N 0 0 1 7 - 2 7 7 4 L J U B L J A N A , J U N I J 2 0 0 2 L E T N I K LI S T R . 1 4 1 - 1 8 0 VSEBINA - CONTENTS Članki, študije, razprave studies, proceedings Stran 142 Peter Skuber_______________________________ NIZKOCIKLIČIMO UTRUJANJE STIKOV V JEKLENIH KONSTRUKCIJAH LOW CYCLE FATIGUE ASSESSMENT OF CONNECTIONS IN STEEL STRUCTURES Stran 155 Roko Žarnić_________________________________ OSNOVNE LASTNOSTI POLIMERNIH KOMPOZITOV BASIC PROPERTIES OF FIBRE REINFORCED PLASTICS natezna trdnost deform acija ob nastanku prve mikrorazpoke deformacija pri porušitvi Stran 167 Mitja Rismal_____________________________ PROBLEMATIKA NAČRTOVANJA IN IZGRADNJE LJUBLJANSKE ČISTILNE NAPRAVE PROBLEMS OF DESIGN AND CONS­ TRUCTION OF LJUBLJANA WASTE WATER TREATMENT PLANT VAR IAN TA "A " Stran 174 Tomaž Novljan______________________________ MOŽNOSTI IZBOLJŠAVE AMBIENTA ZA VEČJO VARNOST V DOLGIH CESTNIH PREDORIH IMPROVEMENTS OF THE AMBIENCE FOR ACHIEVING GREATER SAFETY IN LONG ROAD TUNNELS Gradbeni vestnik • letnik 51, junij, 2002 R SKUBER: Nizkociklično utrujanje stikov v jeklenih konstrukcijah NIZKOCIKLIČNO UTRUJANJE STIKOV V JEKLENIH KONSTRUKCIJAH LOW CYCLE FATIGUE ASSESSMENT OF CONNECTIONS IN STEEL STRUCTURES ZNANSTVENI ČLANEK UDK 6624.014,2 : 624.044 : 519.61/.64 PETER SKUBER P O V Z E T E K V članku je p redstav ljen num eričn i model za analizo nizkocikličnega utrujanja jeklenih konstrukcij, ki temelji na podobnih princip ih , kot so uveljavljeni pri visokocikličnem u tru jan ju , k jer je opis nizkocikličnega utrujanja jeklenih elementov in stikov podan z eksperimentalno določenimi S-N krivuljami za nizkociklično utrujanje in z upoštevanjem linearne akumulacije poškodb. Numerični model, ki za opis zunanje obtežbe privzema globalni param eter rotacije stika oz. rotacije plastičnega členka v prerezu elementa, je vgrajen v računalniški program za dinamično nelinearno analizo dvodimenzionalnih konstrukcij DRAIN2DX. Z razvitim orodjem je mogoča nelinearna analiza jeklenih konstrukcij pri potresni obtežbi z upoštevanjem razvoja lokalnih poškodb zaradi nizkocikličnega utrujanja v stikih in v prerezu elementa v realnem času. Na podlagi eksperimentalnih podatkov je določena zveza med padanjem upogibne nosilnosti v odvisnosti od velikosti poškodb in od velikosti amplitud rotacij. Narejene so raziskave vpliva posameznih parametrov za opis nizkocikličnega utrujanja: primerjava med izbranimi plastičnimi ali celotnimi rotacijami Cvsota elastičnih in plastičnih ro tacij), razvoj poškodb v konstrukciji v odvisnosti od potresne obtežbe in od različne in tenzite te , vpliv oblike padanja upogibne nosilnosti v stikih na odziv celotne konstrukcije zaradi potresne obtežbe, občutljivost izbrane S-N krivulje in razvoj poškodb zaradi večkratne ponovitve potresne obtežbe. S U M M A R Y The paper presents a numerical model for a low cycle fatigue assessment of the connections in steel s tru c tu re s , based on the application of high cycle fatigue theory in the low cycle area. The method describes a low cycle fatigue problem w ith the experimentally defined fatigue curves and a linear damage accumulation assumption. The numerical model, where the stra ins are expressed as ro ta tions in connections or in plastic hinges in a cross section, is built into the com puter program fo r nonlinear dynamic analysis of planar s tru c tu re s DRAIN2DX. The final resu lt is a nonlinear response of a steel s tru c tu re in the earthquake conditions, taking into account the de te rio ra tion in real time. The relation between s tre n g th degradation, damage accumulation and the ro ta tion amplitude is defined on the basis of the experimental results. The influence of the number of parameters including plastic or to ta l ro ta tions (the sum of elastic and plastic ro ta tions], the type of ground motion and its intensity, the mode of the deterioration, the sensitiv ity of the low cycle fatigue curve, damage progress in the case of a repeated ground motions are investigated. R SKOBER: Nizkociklično utrujanje stikov v jeklenih konstrukcijah 1 . UVOD Jeklene konstrukcije so izpostavljene ciklični plastifikaciji predvsem med moč­ nejšimi potresi. Sodobni pristop k potresnovarnemu projektiranju sloni na metodi načrtovane nosilnosti (capacity design), pri kateri v izbranih delih konstrukcije namenoma omogočimo plastificiranje prečnih prere­ zov in s tem disipiranje potresne energije. Na tak način močno zmanjšamo porabo materiala, vendar pa moramo v conah disipiranja energije zagotoviti zadostno duktilnost. Duktilnost, ki je sicer zelo pomembna, je samo eden izmed parametrov nosilnosti, vezan na največje vsiljene pomike kon­ strukcije med potresom. Drugi prav tako pomemben parameter je vezan na ciklič­ no obremenjevanje v plastično področje oziroma akumuliranje poškodb in zmanj­ ševanje nosilnosti pri večanju števila ciklov. Govorimo o nizkocikličnem utrujanju, kjer lahko v odvisnosti od ve­ likosti plastičnih deformacij do porušitve pride v nekaj sto, nekaj deset ali celo manj kot deset ciklih. Vsem dobro znan primer nizkocikličnega utrujanja je žica, ki se lahko pretrga že po nekajkratnem upogibanju, če so le upogibne deforma­ cije dovolj velike. Pri plastični analizi okvirjev s statično obtežbo zagotavljanje ustrezne rotacijske kapacitete zadošča, pri potresni obtežbi, ki ima ciklično na­ ravo, pa lahko oceno o tem, ali bo kon­ strukcija potres preživela, podamo le, če poznamo tudi odpornost proti nizkociklič- nemu utrujanju. To potrjujejo izkušnje iz močnejših potresov v preteklem deset­ letju. Predvsem potresi v razvitih delih sveta, kjer je zgrajenih veliko število sta­ vb z jekleno nosilno konstrukcijo (npr. Northridge, Kalifornija, 1994 in Kobe, Ja­ ponska, 1995), so povzročili veliko po­ škodb v momentnih stikih prečka-steber. Poškodbe razen v nekaj izjemnih prime­ rih niso bile usodne za konstrukcije, ven­ dar pa so bili stroški saniranja poškodb zelo veliki, vseh poškodb pa verjetno sploh niso odkrili zaradi težke dostopno­ sti. Ob ponovitvi močnejšega potresa bi te poškodbe lahko povzročile tudi poru­ šitev konstrukcije. Kot so pokazale števi­ lne raziskave, je glavni razlog za poško­ dbe nizkociklično utrujanje v kombinaciji z neustrezno zasnovo stikov in kakovostjo izvedbe zvarov ter v zvezi z vplivi utrjevanja materiala v plastičnem po­ dročju. Pri racionalnem protipotresnem projekti­ ranju jeklenih konstrukcij se pojavu nizkocikličnega utrujanja ni mogoče izo­ gniti, zagotoviti pa je potrebno, da je njegov vpliv čim manjši. Mesta disipi­ ranja, običajno prečke okvirja v območju stika prečka-steber, so tako podvržena cikličnim plastičnim deformacijam in posledično nizkocikličnemu utrujanju. Pri polnonosilnih momentnih stikih, ki so močnejši od priključene prečke, plastič­ ni členek nastopi v prečki tik ob stiku, pri delnonosilnih stikih, ki so šibkejši od priključene prečke, pa v samem stiku (slika 1). V prvem primeru je duktilnost oz. rotacijsko kapaciteto potrebno zago­ toviti v prečki, kar lahko storimo s primer­ no kompaktnostjo prečnega prereza. V drugem primeru je potrebno rotacijsko kapaciteto zagotoviti z zadostno duktilno- stjo vsaj ene od komponent stika. Običaj­ no je to čelna pločevina v upogibu ali panel stojine stebra v strigu, nikoli pa ne vijaki v nategu. Nizkociklično utrujanje stikov opišemo s pomočjo testov [Calado 2000a, 2000dj. Za izbrano konfiguracijo stika je rezultat testa število ciklov ob porušitvi in histe- rezno obnašanje med cikličnim obre­ menjevanjem. Na podlagi teze, da se da nizkociklično utrujanje obravnavati na po­ doben način kot visokociklično utrujanje v elastičnem področju [Krawinkler, 1983], je bilo narejenih tudi nekaj serij testov pri različnih amplitudah plastičnih deformacij, kar je omogočilo določitev S-N krivulj nizkocikličnega utrujanja. V povezavi s Palmgren-Minerjevim pravi­ lom linearne akumulacije poškodb [Mi­ ner, 1945] je za testirane stike mogoče napovedati število ciklov do porušitve pri poljubni zgodovini cikličnega obre­ menjevanja. V prispevku je predstavljena metoda, ki omogoča opis nizkocikličnega utrujanja jeklenih elementov in njihovih stikov s pomočjo ustreznih krivulj utrujanja. Lo­ kalne poškodbe so opisane z indeksom poškodb, dobljenim s Palmgren-Mine- Polno nosilni stik Avtor: mag. Peter Skuber, univ. dipl. inž. grad., FGG, Jamova 2, Ljubljana Gradbeni vestnik • letnik 51, junij, 2002 R SKUBER: Nizkociklično utrujanje stikov v jeklenih konstrukcijah Nelinearni odziv konstrukcije v času t Štetje ciklov in račun amplitud 5, —j f j j z Rezervoar metodo Obremenitev konstrukcije s potresno obtežbo v času t 1 0 t Spekter amplitud rotacij v času t & ZAČETEK « 1 « 2 število ciklov 1 kjer je «, število rotacij s isto amplitudo S, Račun potrebnega števila ciklov N , za porušitev pri utrujanju s konstantno amplitudo S , H 0 Log(S) Padec upogibne nosilnosti v /-tem ciklu zaradi nizkocikličnega -| [Tj utrujanjav konstrukcijskem detajlu A S - N krivulja za nizkociklično utrujanje konstrukcijskega detajla A Log(N) L o g ( N t ) L o g ( N 2) Log ( / V 3) t 1 D=Z^=Ü+A+"L N., N , , N , Račun Indeksa poškodb D s Palmgren Miner-jevim pravilom H 0 Slika 2: G ra fičn i p rikaz vg radn je n izkoc ik ličnega modela v ra ču na ln išk i p ro g ra m DRAIN2DX Gradbeni vestnik • letnik 51, junij, 2002 R SKOBER: Nizkociklično utrujanje stikov v jeklenih konstrukcijah rjevim pravilom linearne akumulacije poškodb. Na podlagi eksperimentalnih podatkov je določena zveza med pa­ danjem upogibne nosilnosti v odvisnosti od indeksa poškodb. Razvili smo nume­ rični model nizkocikličnega utrujanja in ga vgradili v računalniški program za di­ namično nelinearno analizo dvodimen­ zionalnih konstrukcij DRAIN2DX. Nume­ rični model za opis vpliva zunanje obtežbe privzema globalno deformacijsko količino [Vayas, 1999, 2000], Izbrali smo totalno aii plastično rotacijo v stiku ali plastičnem členku, ki jo je med testom mogoče relativno enostavno izmeriti. Z razvitim numeričnim modelom je mo­ goče slediti naraščanju poškodb in odzi­ vu poškodovanih jeklenih okvirjev med samim potresom. Podan je opis poško­ db in ocena preostale nosilnosti po končanem potresu. Poleg tega je možna napoved varnosti poškodovane kon­ strukcije v primeru popotresnih sunkov in novih potresov. 2. MODELIRANJE NIZKOCIKLIČNEGA UTRUJANJA PREDSTAVITEV A LG O ­ RITMA Na podlagi poznane S - N krivulje za do­ ločen konstrukcijski detajl in znane zgo­ dovine obremenjevanja lahko poškodbe opišemo z indeksom poškodb, ki predpo­ stavlja linearno akumulacijo poškodb. V kodo smo dodali algoritem za račun po­ škodb v realnem času zaradi nizkociklič­ nega utrujanja na tak način, da dobimo v vsakem koraku dinamične analize odziv poškodovanega elementa in v na­ daljevanju odziv celotne poškodovane konstrukcije. Na sliki 2 je grafično predstavljen algo­ ritem nizkocikličnega modela za stike, ki smo ga vgradili v računalniški program DRAIN2DX [Prakash, 1993], Algoritem je narejen tako, da se odziv podškodovane konstrukcije zaradi nizkocikličnega utrujanja izračuna vsakič od začetka do časa t s korakom 0,1 sekunde. Potresna obtežba je podana v obliki akcelerogra- ma, ki predstavlja dinamično obtežbo s spremenljivo amplitudo. V našem prime­ ru konstrukcijo obremenimo z akcelero- gramom pospeškov temeljnih tal (slika 2/ 1). Glavni del programa izračuna neline­ arni odziv konstrukcije od začetka anali­ ze do časa t (slika 2/2). V podprogramu, kjer je določen numerični model stika, se izračuna nelinearni odziv vseh stikov v konstrukciji (slika 2/3). Tako dobimo zgo­ dovino rotacij za konstrukcijski detajl A. Iz izračunanih rotacij stika v času t izraču­ namo spekter amplitud rotacij (slika 2/4). liže izračunamo tako, da zmanjšamo začetno upogibno nosilnost po enačbi (1). Ves postopek se ponovi pri nasle­ dnjem koraku analize t + 0.1 s (slika 2/ 8). Algoritem se konča na koncu dina­ mične analize ali v primeru porušitve (D = 1.0) v najbolj poškodovanem stiku ali v prerezu elementa. Za modeliranje nizkocikličnega utru-janja stika smo uporabili rotacijsko vzmet. Ne­ linearno obnašanje vzmeti je določeno s histereznimi zankami, ki so podane s hi- sterezno ovojnico. Možni sta dve različni obliki histereznih zank (slika 3). a m Slika 3: Ovojnica histereznih zank rotacijske vzmeti V spektru so podane velikosti amplitud rotacij S. in njihovo število n.. Kerakce- lerogrami predstavljajo dinamično obtež­ bo s spremenljivo amplitudo, smo za izračun ciklov in amplitud uporabili “re- zervoarsko” metodo. Na podlagi znane­ ga spektra amplitud izračunamo število ciklov N., ki bi bilo potrebno za poruši­ tev izbranega konstrukcijskega detajla pri utrujanju z amplitudo S. (slika 2/5) Šte­ vilo ciklov N. izračunamo s S -N krivuljo za konstrukcijski detajl A, ki smo jo pre­ dhodno določili na osnovi eksperimental­ nih rezultatov. S - N krivulje so v progra­ mu vhodni podatek in jih podamo z dve­ ma parametroma: lo g ( K ) in m. Indeks poškodb izračunamo s Palmgren-Miner- jevim pravilom za linearno akumulacijo poškodb (slika 2/6). Na podlagi znanega indeksa poškodb izračunamo poškodbe konstrukcijskega detajla. Za opis poškodb smo izbrali padec upogibne nosilnosti AM . v histerezni zanki stika (slika 2/7). Upogibno nosilnost v i—tem koraku ana- Kjer je M moment na meji tečenja K o začetna togost K h togost v plastičnem območju ' rotacija Na podlagi eksperimentalnih podatkov [Calado 2000a, 2000b, 2000c, 2000d] smo določili zvezo med padanjem upogi­ bne nosilnosti v odvisnosti od večanja po­ škodb in od velikosti rotacij z enačbo (1). \_ M i = M 0 - ( l - D ) " < (1) kjer je M . upogibna nosilnost v (i) -tem ko­ raku analize D indeks poškodb izračunan s Palm- gren-Minerjevim pravilom (slika 2) M 0 začetna upogibna nosilnost, poda­ na s histerezno ovojnico n oblikovni koeficient, ki je eksperimen­ talno določen, odvisen od konstrukcijs­ kega detajla in od velikosti rotacij. Gradbeni vestnik • letnik 51, junij, 2002 R SKUBER: Nizkociklično utrujanje stikov v jeklenih konstrukcijah Za modeliranje nizkocikličnega utrujanja v prerezih nosilcev in stebrov smo upo­ rabili linijski element številka 2, ki ima plastične členke na začetku in koncu ela­ stične palice (slika 4). Algoritem za nizkociklično utrujanje prerezov smo plastični členek elastični element vgradili na enak način kot za stike (slika 3). Ker je elementa številka 2 zgrajen tako, da je odziv v plastičnih členkih do­ ločen s plastičnimi rotacijami, smo za račun nizkocikličnega utrujanja izbrali plastične amplitude rotacij. V plastičnih histerezne zanke v plastičnem členku Slika 4: Linijski element s plastičnimi členki BCC5 BCC6 BCC8 IPE300 HEB 160 členkih linijskega elementa nismo upo­ števali zveze med padanjem upogibne nosilnosti v odvisnosti od indeksa poško­ db in od velikosti rotacij. KALIBRACIJA STIKOV. DOLOČITEV S-N KRI­ VULJ. Namen kalibracije je izračun parametrov za določitev S -N krivulje, ki je določena z nedimenzionalno konstanto m in dimen­ zionalnim parametrom L o g (K ) . V logari­ temski obliki jo zapišemo kot L o g { N ) = L o g ( K ) - m ■ L o g ( S ) , (2) V zadnjem času so bile narejene obsežne eksperimentalne raziskave nizkociklične­ ga utrujanja stikov [Calado 2000a, 2000b, 2000cj. Za parametrično študijo smo izbrali skupino polnonosilnih, togih varjenih stikov (slika 5) in skupino delno nosilnih, delno togih vijačenih stikov s kotniki v pasnici ter stojini (slika 6). Slika 5: Geometrija varjenih stikov BCC9 BCC7 BCC 10 J IPE300 ♦♦♦ ! HEB 160 ,1 IPE300 1, irrryi HEB240 vijaki M16 8.8, kotniki L 120 x 80 x 10 Slika S: Geometrija vijačenih stikov s kotniki v pasnici in stojini Kalibracijo smo izvedli s simulacijo ek­ sperimenta z nadgrajenim računalniškim programom DRAIN2DX. Na podlagi poz­ nane geometrije, momenta in rotacije na meji tečenja smo izdelali numerični mo­ del, ki smo ga obremenjevali z istimi vsi­ ljenimi pomiki kot v eksperimentu [Cala­ do 2000a], V eksperimentu so bili izbra­ ni vsiljeni pomiki s konstantno amplitu­ do +/- d = 37,5 mm, 50 mm in 75 mm in vsiljeni pomiki z naraščajočo am­ plitudo po priporočilu [ECCS 1986], Vsiljeni pomiki z naraščajočo amplitudo po priporočilu ECCS so: trije cikli z am­ plitudo, ki povzroča rotacijo stika na meji tečenja dy: po trije cikli z amplitudo; ki povzroča rotacijo 2 d , 4 d , 6 dy, ... vse do porušitve. Iz znaniih vsiljenihpomikov smo najprej izračunali vsiljene rotacije (slika 7). Iz izračunanih vsiljenih rotacij stika A (p in znanega zasuka na meji tečenja 0y, izračunamo po enačbi (3) normirano am­ plitudo rotacij [sy. Gradbeni vestnik • letnik 51, junij, 2002 R SKUBER: Nizkociklično utrujanje stikov v jeklenih konstrukcijah S = ^ - . (3) _ , (8) vy 4>, kjer so Av vsiljeni pomiki, A pomik na meji tečenja, A amplitude rotacij in

v 1-% . IA 3 < i — < 5 K ^ > 5 50 10 5 Vageni stiki 0 < ^ < 20 i l > 2 0 y 50 5 Preglednica 3: I z b r a n e v r e d n o s t i z a o b l i k o v n i k o e f i c i e n t n Preglednica 4: P r i m e r j a v a r e z u l t a t o v z a š t e v i l o c i k l o v d o p o r u š i t v e IN) s t i k o v m e d e k s p e r i m e n t o m in n u m e r i č n i m m o d e l o m Gradbeni vestnik • letnik 51, junij, 2002 R SKUBER: Nizkociklično utrujanje stikov v jeklenih konstrukcijah vsiljene pomike s naraščajočo amplitu­ do po priporočilih ECCS. Na tej podlagi lahko sklepamo, da predpostavka o line­ arni akumulaciji poškodb, ki se uporablja za visokociklično utrujanje, velja tudi za nizkociklično območje. 3. IZBIRA PLASTIČNIH ALI CELOTNIH ROTACIJ ZA OPIS NIZKOCIKLIČNEGA UTRUJANJA Da bi ugotovili ustreznost izbire plastič­ nih oz. celotnih rotacij, smo primerjali število izračunanih ciklov do porušitve (N J za plastične rotacije oz. (N) za ce­ lotne rotacije z eksperimentalnimi rezul­ tati. Za ta namen smo izračunali S-N kri­ vulje za plastične rotacije in S-N krivulje za celotne rotacije. Iz rezultatov numeričnih analiz je mogoče ugotoviti, da je razlika vrednosti Indeksov poškodb odvisna od deleža plastičnih rotacij (slika 10). V primeru velikih pla­ stičnih deformacij (vsiljeni pomiki s amplitudo <5ma)t = +/- 37, 5 mm) je na­ raščanje indeksa poškodb D (celotne ro­ tacije) in D (plastične rotacije) in s tem število ciklov do porušitve približno enako. Z manjšanjem deleža plastičnih rotacij se razlika veča (vsiljeni pomiki s amplitudo dmn = +/-19 mm in +/-10 mm). Na sliki 11 je prikazana primerjava na­ raščanja indeksov poškodb za varjene stike pri cikličnem utrujanju z na­ raščajočo obtežbo (vsiljeni pomiki po priporočilih ECCS). Število ciklov do porušitve je praktično enako tako v prime­ ru plastičnih kot v primeru celotnih am­ plitud rotacij. Enake ugotovitve veljajo tudi za skupino obravnavanih vijačenih stikov. * D indeks poškodb, izračunan z amplitudami rotacij D p[ indeks poškodb, izračunan z amplitudami plastičnih rotacij Slika 10: P rim erjava izračunan ih Indeksov poškodb p ri ra z ličn ih a m p litud a h v s il­ jen ih pom ikov <5• ~ max 4. RAZVOJ POŠKODB V KONSTRUKCIJI V ODVISNOSTI OD POTRESNE OBTEŽBE IN OD RAZLIČNE INTENZITETE Izbrali smo dva okvirja, ki se razlikujeta v izbranih stikih med nosilcem in stebrom (slika 12). V prvem okvirju smo izbrali pol- nonosilni togi stik. Izbrali smo varjeni stik BCC8 (slika 5). Drugi okvir ima delno-no- silne in delnotoge stike. Izbrali smo vijačeni stik BCC10 (slika 6). Projektirani so v sk­ ladu z evropskim standardom za Projekti­ ranje jeklenih konstrukcij SIST ENV1993 in standardom za projektiranje potresno odpornih konstrukcij SIST ENV 1998. V obeh primerih je geometrija okvirja enaka, razlikuje se obtežba. Za modeliranje nizko- cikličnega utrujanja smo uporabili S-Nkri- D pl indeks poškodb, izračunan z amplitudami plastičnih rotacij Slika 11: P rim erjava iz računan ih Indeksov poškodb p ri n a rašča jo č i o b te žb i po p rip o ro č ilih ECCS Gradbeni vestnik • letnik 51, junij, 2002 R SKUBER: Nizkociklično utrujanje stikov v jeklenih konstrukcijah vulje za varjeni stik (BCC8) in S-N krivulje za smo vijačeni stik (BCC10). Parametri za S-N krivulje so podani v preglednici 1. Za amplitude smo izbrali celotne rotacije. Nizkociklično utrujanje smo modelirali tudi v prerezih prečk in stebrov. Prečke in stebri so sestavljeni iz linijskih elemen­ tov dolžine 1,0 m s plastičnimi členki na začetku in koncu elementa. Na mestih možnih plastičnih členkov v nosilcu in stebru smo izbrali S-N krivulje, ki so izračunane v preglednici 2. IPE300 A -6,0 m- pjX Razdalja med okvirji: 3,0 m g .... pospešek prostega pada 9,81 m/s q .... faktor obnašanja A Obtežba za okvir z vaijenim polnonosilnim togim stikom med nosilcem in stebrom: Lastna in stalna: Koristna: Sneg (s): Veter: Potres: Nihajni čas: PGA = 4.67 kN/m 6.0 kN/m l.OkN/rn 25 m/s 0.2 g, q = 5 T = 0,6 s Obtežba za okvir z vijačenim delnonosilnim podajnim stikom med nosilcem in stebrom: Lastna in stalna: Koristna: Sneg (s): Veter: Potres: Nihajni čas: PGA = 2.67 kN/m 3.0 kN/m 1.0 kN/m 25 m/s 0.2 g, q = 5 T = 0,4 s Slika 12: G e o m e trija in ob težba za eno e ta žn i pom ičn i okvir Ker se potresne obtežbe med seboj moč­ no razlikujejo, smo izbrali več akcelero- gramov z različnimi lastnostmi. Izbrali smo pet različnih akcelerogramov, ki se razlikujejo po magnitudi, oddaljenosti od epicentra, kakovosti tal in času trajanja. Na sliki 13 so rezultati nelinearne dina­ mične analize z nadgrajenim programom DRAIN2DX za enoetažni okvir z varjenimi polnonosilnimi togimi stiki med nosil­ cem in stebrom. Akcelerogrami so pomnoženi z različnimi faktorji, ki ustre­ zajo različnim projektnim pospešekom. Vidimo, da je odziv okvirja močno odvi­ sen od vrste potresne obtežbe. Poškod­ be v stikih naraščajo z večanjem intenzi­ tete potresne obtežbe. Največje poškod- Slika 13: R e z u lta t i ne linearne d inam ične analize enee tažnega okv irja z va rjen im i s t ik i [BCC81 p ri ra z ličn ih p ro je k tn ih pospeških Gradbeni vestnik • letnik 51, junij, 2002 R SKUBER: Nizkociklično utrujanje stikov v jeklenih konstrukcijah be nastopijo v desnem stiku, Odziv okvi­ rja na različne potresne obtežbe se kaže v velikosti poškodovanosti stikov. Izraču­ nani indeks poškodb je največji pri obre­ menitvi okvirja s potresno obtežbo za Northridge za projektni pospešek PGA = 0.7 g in znaša 16,5 %. Najmanjši je pri obremenitvi z akcelerogramom Cape Mendocino in znaša 1% pri istem projek­ tnem pospešku. Največji horizontalni pomiki na vrhu okvirja in s tem tudi največje rotacije v stiku so pri potresni obtežbi z akcelerogramom Northridge in najmanši za Cape Mendocino. 5. VPLIV OBLIKE PADANJA UPOGIBNE NOSILNOSTI V STIKIH NA ODZIV CELOTNE KONSTRUKCIJE ZARADI POTRESNE OBTEŽBE Vpliv izbrane zveze med padanjem upo- gibne nosilnosti, indeksom poškodb in velikostjo rotacij smo analizirali tako, da smo naredili parametrično študijo odzi­ va okvirja na potresno obtežbo z različ­ nimi oblikovnimi koeticieni n (enačba 1). Izbrali smo petetažni okvir s polnonosi- Ini togimi stiki med prečko in stebrom. Podajni okvir je projektiran v skladu s evropskimi standardi in na projektni po­ spešek P G A = 0, 35g .Za modeliranje nizkocikličnega utrujanja stikov smo iz­ brali predpostavljene S-N krivulje s pa­ rametric L o g (K ) = 4 in m = 2, ki smo jih določili na podlagi preglednice 1 kot srednja vrednost izračunanih parametrov za vse tri vrste obravnavanih varjenih stikov. Za amplitude v stikih smo izbrali celotne rotacije. Nosilci so sestavljeni iz linijskih elementov dolžine 1,0 m s pla­ stičnimi členki na začetku in koncu ele­ menta. Stebri so modelirani z linijskim elementom dolžine, ki je enaka višini etaže. Tako so možni plastični členki na začetku in na koncu vsake etaže, kjer so tudi največje upogibne obremenitve v stebrih zaradi potresne obtežbe. Na me­ stih možnih plastičnih členkov v nosilcu in stebru smo uporabili predpostavljene S-N krivulje. Izbrali smo enake vredno­ - n = l n = 3 - n = 6 — n = 100 Indeks poškodb D Slika 14: Zveza med padanjem upogibne n o s iln o s ti in Indeksom poškodb za raz lične oblikovne k o e fic ie n te n sti kot za stike. Ker je linijski element, s katerim smo modelirali nosilce in stebre, zgrajen tako, da računa v plastičnih členkih samo plastične rotacije, smo za amplitude elementov izbrali plastične rotacije. V analizo smo vključili zvezo med padanjem upogibne nosilnosti in naraščanem poškodb zaradi nizkociklič­ nega utrujanja po enačbi (1) samo za stike. V prvem primeru smo za oblikovni koeficient n, izbrali vrednosti, ki so po­ dane v preglednici 3 za varjene stike. Na­ dalje smo izbrali n = 1, « = 3,« = 10 in n = 100 za vse velikosti rotacij (slika 14). Rezultati so podani na sliki 15, kjer je prikazana kumulativna absorbirana ener- 1.4 0.7 0,2 0 0,5 1.4 0.7 _ o 0'2 0 n1.4 U 0 -CJ J 0 G 1.4 0,7 0,2 0 0,5 1,4 0,7 0,2 0 0,5 16,0 6.6 7,3 7 .4 8,0 14,7 n ____ 64 o - , 7 , 1 t i n -> 7.8u T T \ J 7.3 U 15.9 6,6 7,3 7 .3 7,9 16,0 6,6 7,3 7 ,4 8,0 25.6 21,7 23,5 2 2 .0 23,9 18,6 n ____ 1 6 .V -, n I8,0 16,9n - 1 8 . 3 23.9 L/ \J L / 'i,:U U 2 i , 6 26,4 22,4 24,1 22,8 - 24,5 27,5 23,1 24,9 23,6 25,3 25.7 21,3 23.9 21,6 24.3 18.2 n ____ 15.5n - s 17,6 > 5 , 4 - - 1 7 . 7 23.7 U U A —6 26.3 22,3 24.4 22,7 24.8 27,5 23,2 25,3 23,8 25,8 26,7 20,3 24,7 20,2 24.3 18,2 n ________ is.in -> 1 7 .9 15,1/—,— 17.8; ■ I 9 .2U ^ 2 2 . 1 r H J Ot t 25.8 21,2 24,0 21,0 23.7 26,8 22,0 24,7 21,8 24,4 O 1.9 1.9 1.9 1.9 1.9 13.6 12.7 13.5 13.8 13.9 23,2 17.1 21,8 24.2 25.2 \ 9 16.7 21.5 23.8 24.9 “O 170^ 14 23,4 24,3 NORTHRIDGE P G A - 1 ,0 g > 20, sicer n - 50 Slika 15: K um ula tivna a b so rb ira n a ene rg ija v s tik ih ZM/mZ za ra z ličn e zveze med indeksom poškodb in padanjem upogibne n o s iln o s ti Gradbeni vestnik • letnik 51, junij, 2002 R SKUBER: Nizkociklično utrujanje stikov v jeklenih konstrukcijah gija v stikih po končani dinamični thridge, ki je bil prilagojen na projektni obtežbi. Izbrali smo akcelerogram Nor- pospešek PGA = 1,0 g. 0,1 0.1 0,1 0,1 0,1 0,1 Slika 16: Indeks poškodb v s tik ih (%) za raz lične v re d n o s ti log (K) in m Razlike v izračunani kumulativni absorbi­ rani energiji so največje v najbolj obre­ menjenih stikih. Največje odstopanje je pri oblikovnem koeficientu n = 1, ki po­ meni tudi največje padanje upogibne nosilnosti, medtem ko se izračunane ku­ mulativne absorbirane energije pri osta­ lih oblikovnih koeficientih razlikujejo za manj kot 10 odstotkov. Izračunani indeksi poškodb za različne oblike padanja upogibne nosilnosti so praktično enaki. Iz tega izhaja, da ima oblika padanja upogibne nosilnosti vpliv na prerazporeditev notranjih sil, medtem ko k razvoju poškodb ne prispeva bistve­ nega deleža. 6. OBČUTLJIVOST PARAMETROV ZA DOLOČITEV S-N KRIVULJE Velikost poškodb je poleg zgodovine obremenjevanja odvisna tudi od samega konstrukcijskega detajla. Da bi ocenili vpliv izbrane S-N krivulje, s katero opi­ šemo obnašanje konstrukcijskega detaj­ la pri nizkocikličnem utrujanju, smo na­ redili parametrično študijo občutljivosti izbranih parametrov, s katerimi so krivulje določene. Na sliki 16 so izračunani in­ deksi poškodb v stikih za različne vred­ nosti parametrov log(K) in m za obreme­ nitev z akcelerogramom Northridge, ki je prilagojen na računski projektni pospešek PGA = 0.35 g. Vidimo, da je velikost poškodb močno odvisna od izbranih parametrov log(K) in m tj. od vrste stika. 7. AKUM ULACIJA POŠKODB ZARADI VEČKRATNE PONOVITVE POTRESNE OBTEŽBE Oceno varnosti poškodovane konstrukcije v primeru novih potresov smo naredili tako, da smo petetažni okvir obremenili z večkratno ponovitvijo z enakimi akce- Gradbeni vestnik • letnik 51, junij, 2002 R SKUBER: Nizkociklično utrujanje stikov v jeklenih konstrukcijah lerogrami. Izbrali smo akcelerogram Nor- thridhe, ki smo ga prilagodili na projek­ tni pospešek PGA = 0,5 g. Na sliki 17 vidimo razvoj poškodb v stikih petetažnega okvirja. Podani so izračuna­ ni Indeksi poškodb (%) v stikih po konča­ nem prvem potresu, po dveh ponovitvah in po petih ponovitvah. Najbolj poškodovani so stiki v prvih treh etažah. Vidimo, da poškodbe v stikih naraščajo linearno. In­ deks poškodb se po vsaki ponovitvi poveča za približno enak delež. Po prvem potresu je indeks poškodb v najbolj obremenjenem stiku 17,2 %, po dveh ponovitvah 48,4 % in po petih ponovitvah 93 %. 5 PONOVITEV 2 PONOVITVI NORTHRIDGE (PGA = 0,5 g) Slika 18: N ajvečji zasuki e ta ž [m rad ) za rad i v e č k ra tn ih ponovitev p o tre s n e o b težbe Na sliki 18 vidimo največje zasuke etaž zaradi večkratnih ponovitev potresne obtežbe. Iz rezultatov je razvidno, da kon­ strukcija pri večkratnih ponovitvah po­ staja vedno bolj podajna. Največji zasuki so v tretji etaži. Po prvem potresu znašajo 30 mrad, po dveh ponovitvah 38 mrad in po petih 42 mrad. Poleg globalnega obnašanja poškodova­ ne konstrukcije si poglejmo še odziv kon­ strukcijskega detajla. Rezultati nelinear­ ne dinamične analize pri večkratnih po­ novitvah potresne obtežbe za najbolj po­ škodovani stik so zbrani na sliki 19. Na diagramu moment - rotacija so prikaza­ ne histerezne zanke, s katerimi je opisa­ no nelinearno obnašanje stika. Padanje upogibne nosilnosti zaradi razvoja poško­ db je vidno šele po nekajkratnih ponovit­ vah potresa, ko je indeks poškodb dovolj velik. Pri večkratnih ponovitvah potresa deformacije v stiku naraščajo. Največje rotacije so 32 mrad. Na diagramu indeks poškodb - čas vidimo naraščanje poškodb. Indeks poškodb se za vsako ponovitev poveča za približno enako vrednost. Na­ raščanje kumulativne absorbirane ener­ gije je prikazano na diagramu absorbira­ na energija - čas. Vidimo, da zaradi pa­ danja upogibne nosilnosti naraščanje energije ni linearno. Z večanjem poško­ db se prirastek absorbirane energije manjša. Gradbeni vestnik • letnik 51, junij, 2002 R SKUBER: Nizkociklično utrujanje stikov v jeklenih konstrukcijah 8. ZAKLJUČKI Ugotovimo lahko, da Palmgren-Minerjevo pravilo o linearni akumulaciji poškodb, ki se sicer uporablja za visokociklično utrujanje, daje dobre rezultate tudi za nizkociklično utrujanje, predvsem kar se tiče izračunanega števila ciklov do poru­ šitve. Poleg globalnih parametrov za določitev potresne varnosti konstrukcij je pomenb- na tudi ocena varnosti konstrukcijskih de­ tajlov. Če bi za oceno potresne varnosti okvirja izhajali samo iz največjih zasukov etaž, bi bilo lahko sklepanje o varnosti konstrukcije napačno. Iz naših analiz je razvidno, da z večanjem potresne obreme­ nitve poškodbe zaradi nizkocikličnega utrujanja naraščajo hitreje, kot se večajo medetažni pomiki. V numeričnem modelu lahko za amplitu­ de rotacij izberemo plastične ali celotne rotacije s pripadajočimi S-N krivuljami. V splošnem primerjava med izračunanim številom ciklov do porušitve in dejanskim kaže boljše ujemanje, če izberemo za amplitudo celotne rotacije. To velja predv­ sem za utrujanje z manjšimi amplitudami. V primeru velikih plastičnih deformacij lahko za opis poškodb uporabimo model, ki upošteva samo plastične rotacije. Oblika padanja upogibne nosilnosti zara­ di nizkocikličnega utrujanja vpliva predv­ sem na prerazporeditev notranjih sil in s tem posredno na delež disipirane energije, medtem ko na razvoj poškodb nima nepo­ srednega vpliva. Razvoj poškodb v stikih je močno odvisen od izbrane S-N krivulje, tj. od vrste kon­ strukcijskega detajla. Z večkratno ponovitvijo potresne obtežbe z enakimi akcelerogrami je naraščanje poškodb v stikih konstrukcije linearno. Indeks poškodb se za vsako ponovitev poveča za približno enako vrednost. Na­ raščanje absorbirane energije v stikih za­ radi padanja upogibne nosilnosti ni line­ arno. Z večanjem poškodb se prirastek absorbirane energije manjša. Razvoj poškodb je določen s predposta­ vljeno linearno akumulacijo poškodb. Osnovna predpostavka je, da deformacije z isto amplitudo prispevajo enak delež k razvoju poškodb konstrukcijskega detajla. Dejansko pa to ni res. Deformacije, ki se zgodijo na začetku utrujanja, prispevajo manjši delež k razvoju poškodb kot poznej­ še deformacije z isto amplitudo. Z upošte­ vanjem nelinearne akumulacije poškodb bi bila zveza med padanjem upogibne nosi­ lnosti in naraščanjem poškodb natančnej­ ša od sedanje. V sedanjem modelu zaradi tega izračunani indeks poškodb ni odvisen od oblike padanja upogibne nosilnosti. Z razvitim numeričnim modelom je kljub poenostavitvam mogoče dobro opisati nizkociklično utrujanje konstrukcijskih detajlov. Na podlagi znanih krivulj utrujanja konstrukcijskih detajlov dobimo odziv poškodovane konstrukcije v vsakem koraku analize. Po končanem potresu je možna ocena poškodb in nosilnosti kon­ strukcije v preostali življenjski dobi. L ITER ATU R A Ballio, G., Castiglioni, C. A., A Unified Approach for the Design of Steel Structures under Low and/or High Cycle Fatigue, J. Construct. Steel Research 34, 75-101,1995. Calado, L, De Matteis, G., Landolfo, R„ Experimental response of top and seat angle semi-rigid steel frame connections, Materials and Structures, Vol. 33, pp499-510, 2000. Calado, L, Design of connections, 2000 (F.M. Mazzolani), Seismic resistant Steel Structures, CISM courses and lectures no.420, SpringerWienNewYork 2000, str.349 - 399, 2000. Calado, L, Influence of column size, Moment Resistant Connections of Steel Frames in Seismic Areas, (F.M. Mazzolani), str. 343 - 367, E&FN SPON, 2000. Calado, L, Re-elaboration of experimental results, Moment Resistant Connections of Steel Frames in Seismic Areas, (F.M. Mazzolani), str. 343 - 367, E&FN SPON, 2000. ECCS, Seismic design, Recommended testing procedure for assissing the bahaviour of structural steel elements under cyclic loads. Tehnical Committee 1 - Structural Safety and Loadings, TWG1.3 - Report N°. 45, 1986. Krawinkler, H., Zohrei, M., Cumulative Damage Model in Steel Structures Subjected to Earthquake Ground Motion, Compu­ ters & Structures, vol. 16, No 1-4, pp 531-541,1983. Miner, M.A., Cumulative Damage in Fatigue, Trans. ASME, Journal of Applied Mechanics, vol. 67, pp. A159-A164,1945. Prakash, V., Powell, G.H., DRAIN2DX Base Program and Design Documentation, Department of Civil Engineering, University of California, Berkeley, California, 1993. Vayas, I., Ciutina, A., Spiliopoulos, A., Low-cycle fatigue gestutzer Erdbebennachweis von Rahmen aus Stahl. Bauingeniuer 74, 448-457, 1999. Vayas, I., Spiliopoulos, A., Low-cycle fatigue behaviour of moment resisting frames, (F.M. Mazzolani, R. Tremblay), Beha­ viour of Steel Structures in Seismic Areas, Proc. of the Third International Conference STESSA 2000, Rotterdam: A. A. Bak- iema, 2000, str. 649 - 655, 2000. Gradbeni vestnik • letnik 51, junij, 2002 R. ŽARNIC: Osnovne lastnosti polimernih kompozitov □SNOVNE LASTNOSTI POLIMERNIH KOMPOZITOV STROKOVNI ČLANEK UDK 678.7 : 624 ROKO ŽARNIC P O V Z E T E K V zadnjem dese tle tju se povečuje uporaba polimernih kompozitov v gradbeništvu. Ovira h itre jšem u š irjen ju uporabe je razmeroma slabo poznavanje lastnosti teh materialov in razmeroma slabo razvita tehnična regulativa, ki težko sledi hitremu razvoju materialov. Namen članka je predstaviti osnovne lastnosti komponent polimernih kompozitov in njihove vloge v obnašanju kompozitnega materiala. Obravnavane so vrs te in lastnosti vlaken, matričnega polimernega materiala in sodelovanje obeh pri prenašanju obremenitev in vplivov zunanjega okolja. Poudarjene so t is te lastnosti, ki so pomembne za uporabo kompozitov v gradbeni praksi vključno s podatki, potrebnimi za oceno ekonomičnosti njihove uporabe. S U M M A R Y During the las t decade, the use of fibre reinforced plastics CFRPD has been increasingly introduced in building and civil engineering practice. The main obstacle to fa s te r growth of the application of FRP materials is the lack of knowledge and relevant standards and specifications. The intention of the paper is to present the basic properties of FRP components and the ir role in composite material. The main properties of fibres, polymer m atrices and th e ir response on external loadings and impacts are briefly discussed. The properties th a t are im portant fo r civil engineering and building practice are addressed including the basics, im portant for the rational use of these materials. , \ A vto r: izr. prof, dr Roko Žarnic, FGG, Jamova 2, Ljubljana UVOD Prednost tradicionalnih gradiv, kot so les, jeklo in beton je razmeroma nizka cena surovin in znano obnašanje. Primerna so tako za novogradnje kot za popravila in utrditve obstoječih konstrukcij. Vendar pa imajo novi materiali [Lopez-Anido in Naik, 2000] svoje prednosti in ob nižanju cen in ob vse bolj množični uporabi po­ stajajo konkurenčni. Pri utrditvah in po­ pravilih konstrukcij se v zadnjem deset­ letju uveljavljajo laminati s pretežno eno­ smerno ali dvosmerno orientiranimi vlak­ ni zaradi razmeroma enostavnih in eko­ nomičnih postopkov vgradnje v obstoječe konstrukcije. Te materiale odlikujejo tudi izjemne mehanske lastnosti in korozijska odpornost. Polimere, armirane z usmerjenimi vlak­ ni, so prvotno razvili za potrebe letalstva in obrambne industrije, pokazali pa so se tudi izredno uporabni v gradbeništvu. Dokončen prodor tovrstnih gradiv, kate­ remu smo danes priča, je posledica znižanja cen. Tej je botrovalo spoznanje, da ekstremne lastnosti kompozitov (high- performance advanced composites) niso nujne za široko uporabo in da zadoščajo lastnosti, ki obenem zagotavljajo tudi sprejemljivo ceno (cost-performance materials). Pocenitev kompozitov je omo­ gočila tudi poenostavitev in prilagoditev tehnoloških postopkov, ki še vedno zago­ tavljajo izdelavo visokokakovostnih ma- Gradbeni vestnik • letnik 51, junij, 2002 R. ŽARNIC: Osnovne lastnosti polimernih kompozitov terialov in izdelkov. Poleg tega se v gra­ dbeništvu lahko uporabljajo tudi kompo- ziti, ki so težji od kompozitov v letalski industriji, toda še vedno izredno lahki v primerjavi s klasičnimi gradbenimi ma­ teriali. Gradbeništvo potrebuje predvsem velike količine poceni gradiv z dolgo življenjsko dobo, ki niso zahtevni glede vzdrževanja. Kompozitni material je vsak material, ki je sestavljen iz dveh ali več komponent. Te med sabo sodelujejo tako, da so la­ stnosti celotnega kompozitnega materiala različne od lastnosti posamezne kompo­ nente. Kompozite sestavlja polimerna matrica in dodani material (armatura). Običajno so armaturna vlakna oblikova­ na na tri načine: krajša (okoli 50 mm) v vse smeri enakomerno orientirana vlak­ na (matta), vzdolžno orientirana medse­ bojno prepletena vlakna v trakovih ali šopih (rowing) in na različne načine iz rowinga pletene tkanine. Pri laminatih se lahko kombinirajo matta, ki utrjuje poli­ merno matrico, in armatura v obliki rowinga, v obliki tkanine ali v obeh oblikah. Armirani polimeri so po zasnovi podobni keramičnim materialom, armira­ nim s kovinami (armirani beton), bistve­ no pa se razlikujejo v količini armature. Pri armiranem betonu odstotek armiranja redko dosega 5 %, pri armiranih polime­ rih pa odstotek armiranja znaša od 35 % do 65 % celotnega prereza konstruk­ cijskega elementa. Poleg tega natezna trdnost polimerne matrice v primerjavi z njeno tlačno trdnostjo ni zanemarljiva kot pri betonu. Polimerne smole, ki se upo­ rabljajo za kompozite, so žilave in to la­ stnost dajejo celotnemu kompozitu. Zvez­ na vlakna prispevajo k trdnosti in togosti kompozita, polimerna matrica pa zagota­ vlja prenos obremenitev in zaščito vlaken pred vplivi okolja in delno tudi pred mehanskimi poškodbami. Polimerni kompozit se pred zunanjimi vplivi (vlaga, plini, UV sevanje) in poškodbami ščiti s posebno polimerno plastjo (gel-coat), ki daje kompozitu tudi izgled (barva, tekstu­ ra). Ta plast je običajno debela okoli 0,5 mm in je materialno kompatibilna z ma­ trično smolo, s katero se po nanosu tudi kemično veže. Značilne vrste vlaken so steklena, aramidna in ogljikova ter boro­ va, ki so zaradi dragocenosti in izjemnih lastnosti manj prisotna pri kompozitih za gradbeništvo. Za polimerne matrice se večinoma uporabljajo duroplasti, kot so nenasičeni poliestri, epoksidi, vinilestri in fenoli. Uporaba slednjih se zmanjšuje zaradi škodljivega vpliva na zdravje oseb v proizvodnem procesu. V zadnjih letih je izšlo razmeroma veliko učbenikov, ki obravnavajo kompozite. Mehaniko lami­ natov obravnava [Jones, 1999], materiale in njihovo izdelavo [Mallick, 1993], načr­ tovanje kompozitov [Tsai, 1992] in [Bar­ bero, 1998], Kljub hitremu razvoju na po­ dročju novih materialov in njihovemu uspešnemu uvajanju v gradbeno prakso je njihova uporaba v Sloveniji dokaj skromna in omejena samo na določena področja popravil in utrditev konstrukcij. S tem prispevkom nameravamo gradbe­ no prakso nekoliko bolj seznaniti z osno­ vnimi lastnostmi kompozitnih materialov, primernih za gradbeništvo in spodbuditi povečanje njihove uporabe. K boljšem spoznavanju lastnosti novih materialov zelo prispevajo tudi informacije, dostop­ ne na spletnih straneh njihovih razvijal­ cev, proizvajalcev in dobaviteljev [Guide to Composites, 2002], Številčne vrednosti posameznih lastnosti materialov, ki so podane v članku, ne gre posploševati, ker veljajo izključno za določen tip materiala. Iz enakih kompo­ nent se da s spreminjanjem razmerja med matričnim materialom in armaturo ter z obdelavo obeh narediti kompozitne ma­ teriale različnih materialnih lastnosti in jih s tem prilagajati potrebam. ZNAČILNOSTI IN PREDNOSTI POLIMERNIH KOMPOZITOV Armirane plastične mase omogočajo projektantom snovanje konstrukcij, ki jih odlikuje optimalno obnašanje. Zaradi vi­ sokega specifičnega modula elastičnosti in specifične trdnosti (razmerja med trd­ nostjo in gostoto) se lahko izdelajo zelo lahke, a toge in trdne konstrukcije. Zara­ di načrtovanja usmeritve nosilnih vlaken v želeno smer (smer glavnih napetosti na pr.) so take konstrukcije zelo učinkovite in ekonomične. Ob ustrezni izbiri matri­ ce in ostalih komponent je kompozitni material lahko zelo odporen proti vplivom okolja in procesom korozije. Izdelati se da tudi kompozite, katerih vrednosti ko­ eficientov toplotnega raztezka so nizke. Taki kompoziti so primerni za izdelavo ter­ malno stabilnih konstrukcijskih elemen­ tov. Lastnost kompozitov je tudi sposob­ nost dušenja dinamičnih obremenitev in odpornost proti utrujanju. Ustrezno načr­ tovani in izdelani kompoziti z ogljikovimi vlakni so praktično neobčutljivi za utru­ janje. Te materiale odlikuje tudi visoka žilavost in s tem povezana sposobnost absorpcije velikih količin energije. Kon­ strukcije, ki so narejene iz kompozitov, se razmeroma enostavno vzdržujejo in tudi popravljajo - celo po nastanku lokalnih poškodb. To znižuje obratovalne stroške konstrukcije. Kompoziti se dajo razmero­ ma enostavno in poceni oblikovati v različne konstrukcijske elemente, celo take, ki jih ni mogoče oblikovati z nobe­ nim drugim materialom. Deli konstrukcije se lahko povezujejo na enostaven način, majhna teža elementov pa omogoča hi­ tro montažo na gradbišču. Serijska izde­ lava večjega števila predizdelanih ele­ mentov različnih oblik je razmeroma po­ ceni. Uvajanje kompozitov v množično upora­ bo v gradbeništvu še vedno zavirajo neka­ tere lastnosti, zaradi katerih bodo tradi­ cionalni materiali verjetno še dolgo pre­ vladovali. Izhodiščna cena kompozitov je razmeroma visoka zaradi višjih cen osno­ vnih materialov in v večini primerov tudi tehnologij proizvodnje. Te so manj prila­ gojene množični produkciji kot tehnolo­ gije za pridobivanje tradicionalnih gradiv. Lastnosti polimernih kompozitov še niso dovolj znane širokemu krogu projektan­ tov in izvajalcev gradbenih del, izkušnje in znanje projektantov pa so dokaj po­ manjkljive. Polimerni kompoziti sodijo v kategorijo »prihajajočih materialov«, za Gradbeni vestnik • letnik 51, junij, 2002 R. ŽARNIC: Osnovne lastnosti polimernih kompozitov katere ni na voljo dovolj ustrezne tehnič­ ne regulative in standardov na področju gradbeništva. Ena izmed prednosti kom- pozitnih materialov, ki bo prišla do izra­ za v bodoče, se na sedanji stopnji razvoja kaže kot pomanjkljivost. Pri uporabi kom­ pozitov bo treba povsem spremeniti pri­ stop k snovanju in projektiranju kon­ strukcij. Projektanti imajo možnost projektirati skupaj tako lastnosti materiala kot samo konstrukcijo. Pri tem morajo upoštevati soodvisnost obeh možnosti in iskati optimalne konstrukcijske rešitve in maksimalne izkoristke materiala in njego­ vih lastnosti. Projektanti se s tem nepo­ sredno vključujejo v procese proizvodnje materiala, saj lahko naročajo materiale natančno določenih lastnosti in s tem prevzemajo tudi del odgovornosti za ob­ našanje materiala med celotno življenj­ sko dobo konstrukcije. Te možnosti po­ stavljajo pred projektante višje zahteve, kar bo potrebno upoštevati tudi pri vzgoji in izobraževanju bodočih generacij. Znanje o materialih je pri sedanjih projek­ tantih pogosto pomanjkljivo, tudi ko gre za tradicionalna gradiva. To zlasti velja, ko gre za njihovo trajnost in spremembe lastnosti med celotno življenjsko dobo. Problematičen je lahko vpliv lezenja po­ limernih smol in s tem celotnih kompo­ zitov kakor tudi spreminjanje njihovih mehanskih lastnosti pri višanju tempera­ ture okolja. Pri kompozitih se je treba za­ vedati, da je njihovo obnašanje v celot­ nem območju uporabe večinoma linear- no-elastično in da so porušitve krhke. Poleg neduktilnosti je problematična tudi njihova trajnost, če se pri izbiri material­ nih komponent kompozitov ne upošteva njihova občutljivost na vplive okolja in korozijske procese. Na sliki 1 so shematično prikazane osno­ vne lastnosti tradicionalnih gradiv in kompozitov, v preglednici 1 pa številčna primerjava lastnosti betona, jekla, ogljikovih vlaken in plastik armiranih z ogljikovimi vlakni. Pri slednjih so prika­ zane lastnosti v smeri vlaken in pravokot­ no na vlakna. Iz primerjave prikazanih lastnosti sledi, da je gostota kompozitov le nekoliko večja od gostote lesa, natez- na trdnost ogljikovih vlaken je primerlji­ va z natezno trdnostjo kovin, modul ela­ stičnosti armiranih plastik pa variira v širokem področju od primerljivosti z le­ som do primerljivosti s kovinami. Poda­ tki v preglednici 1 kažejo, da so mehan­ ske lastnosti plastik z enosmerno orien­ tiranimi vlakni v smeri pravokotno na potek vlaken zanemarljive v primerjavi z lastnostmi v smeri vlaken. To je posledi­ ca bistveno nižjih mehanskih lastnosti polimerne mase v primerjavi z lastnostmi armirane polimerne matrice. K O M P O N E N T E POLIMERNIH KOMPOZITOV POLIMERNA MATRICA Polimerna matrica povezuje vlakna v kompozit in zagotavlja ustrezen položaj in usmeritev vlaken. Preko matrice se pre­ našajo obremenitve na vlakna, za kar je potrebna visoka strižna trdnost in odpor­ nost povezave med vlakni in matrico. Tr­ dnost in deformabilnost kompozita do­ loča prostorninsko razmerje med matri­ co in vlakni (odstotek armiranja) in kako­ vost povezave matrice z vlakni. Matrice so iz različnih smol, izbira le-teh pa je odvisna tudi od izbire armature. Od strižne trdnosti stika matrice in vlakna so odvisne mehanske lastnosti kompozita v celoti. Zato se vlakna obdelajo z apretu- ro, ki se na eni strani kemično veže z materialom vlakna, na drugi strani pa z GOSTOTA (kg/m3) - KOMPOZITI IN PLASTIKE j BETONI ALUMINIJ TITAN JEKLA 10000 10 MODUL ELASTIČNOSTI (GPa) 100 1000 ogljik LES______i BETONlj ALUMINIJ TITAN JEKLA 100 1000 Slika 1: P rim erjava g o s to te , n a tezne t r d n o s t i in m odula e la s t ič n o s t i t ra d ic io ­ nalnih g ra d iv in kom poz itn ih m a te r ia lo v (p rikazane so lo g a rite m s k e ska le) Lastnost Beton Jeklo Ogljikovo vlakno Kompozit v smeri vlaken Kompozit pravokotno na vlakna Gostota (g/cm3) 1,8 7,8 1,75-1,80 1,6 1,6 Modul elastičnosti (GPa) 30 210 230 160 10 Natezna trdnost (MPa) 3,5 400 3000 1725 40 Porušni raztezek (%) - 0,2 0,9-0,15 1,1 1,5 Poissonov količnik 0,2 0,3 0,2 0,22-0,28 0,015-0,02 Topi. prevodnost (WnT'K’1) 1 50 7,0-8,5 11-18 2-3 Preglednica 1: P rim erjava osnovn ih la s tn o s t i tip ič n e g a b e to na , jekla , ogljikovih vlaken in kom poz ita s 6 0% p ro s to rn in s k o ko lič ino og ljikovih vlaken (Vf = 6 0 %) v epoks idn i sm oli [Lopez-A n ido in Naik, 2 0 0 0 ) Gradbeni vestnik • letnik 51, junij, 2002 R. ŽARNIC: Osnovne lastnosti polimernih kompozitov matričnim materialom. Na trajnost kom- pozita vplivajo procesi propadanja, ki na­ stajajo in se razvijajo vzdolž stikov med vlakni in matrico. Od termalnih lastnosti matrice je odvisna temperaturna odpor­ nost kompozita, saj so vlakna praviloma toplotno bolj odporna in stabilna kot matrični material. Bistveno vlogo ima lastnost amorfnega polimera, ki je znana kot “temperatura steklastega prehoda” ( T J in predstavlja temperaturno mejo med območji različnih mehanskih lastno­ sti istega polimera. Po prekoračitvi te temperature “steklasti” močno zamreženi polimer prehaja v mehkejše stanje in dobiva lastnosti, ki so podobne lastno­ stim šibkeje zamreženih elastomerov. Temperatura steklastega prehoda polime­ rov, ki se uporabljajo za kompozite, se giblje od 150°C do 250°C (akrilne, fenol­ ne in epoksidne smole), seže pa tudi višje (cianat estrske smole, do 350°C). Med najpogosteje uporabljanimi smolami za izdelavo matric kompozitov so epoksid­ ne, nenasičene poliestrske, vinilestrske, fenolne, bismelamidne in cianat estrske smole. Epoksidne smole se dobijo v kakovostih, ki so primerne za različne postopke izdelave kompozitov (mokro polaganje, vakuumi- ranje s toplotno obdelavo, vlivanje pod pritiskom, brizganje, pultruzija, navijanje tkanin). Njihove mehanske lastnosti se lahko načrtno prilagodijo zahtevam tako, da se dosežejo želene mehanske lastno­ sti, žilavost, odpornost proti agresivnosti okolja in trajnost ob dostopni ceni, kar je zlasti pomembno pri uporabi v grad­ beništvu. Z ustrezno formulacijo se lahko uporabijo tam, kjer je potrebna odpornost proti povišanim temperaturam, odpornost proti udarcem in odpornost proti vročim in vlažnim okoljem. Značilnost fenolnih smol je visoka požarna odpornost, rela­ tivno nizka cena, a bistveno slabše mehanske lastnosti v primerjavi z lastno­ stmi epoksidnih smol. Bismelamidne smole so razmeroma drage, vendar imajo odlične mehanske lastnosti tudi pri višjih temperaturah (okoli 250°C), dimenzijsko stabilnost in odlično kemično odpornost. Cianat estrske smole (policianati) imajo izredne tehnološke lastnosti, ki omo­ gočajo izdelavo visoko kakovostnih kom­ pozitov. Odlične mehanske lastnosti obdržijo tudi pri visokih temperaturah (do 350°C), a so zato dokaj drage. Postopki izdelave kompozitov so podobni kot pri epoksidnih smolah. Pri izdelavi kompozitov so pomembni termalni pogoji, pod katerimi se negujejo matrice do končne polimerizacije in po­ vezave z vlaknasto armaturo. Na sliki 2 je prikazana razlika med nateznimi trdno­ stmi in moduli elastičnosti različnih po­ limernih smol, pri katerih je polimeriza- cija potekala sedem dni pri sobni tempe­ raturi. Epoksidne smole imajo občutno višje mehanske lastnosti kot nenasičene poliestrske in vinilestrske smole. Z do­ datno peturno nego pri povišani tempe­ raturi se polimerizacija nadaljuje tako, da se mehanske lastnosti zvišajo pri vseh treh primerjanih smolah z izjemo modula ela­ stičnosti pri epoksidni smoli. Pri tem velja omeniti tudi krčenje smol, ki pri prehodu iz tekočega in semigelskega stanja v trdno pri nenasičenih poliestrih znaša okoli 8 %, pri epoksidih pa le 2 %. Krčenje povzroča notranje napetosti v materialu, ki znižujejo trdnost kompozi­ ta. Povzroči lahko tudi tanjšanje krovne plasti polimerne matrice nad vlaknasto armaturo, kar je težko odpraviti z nakna­ dnimi posegi. ARM ATURNA VLAKN A Matrice se najpogosteje armirajo s stek­ lenimi, aramidnimi in ogljikovimi vlakni, nekoliko manj pa še s polietilenskimi in borovimi vlakni. Matrice se armirajo z enosmerno orientiranimi zveznimi vlakni ali z dvosmerno in večsmerno preplete­ nimi vlakni v ravnini tako, da tvorij'o na različne načine tkane tkanine. Ogljikova vlakna proizvajajo s kontrolira­ no oksidacijo, karbonizacijo in grafitiza- cijo organskih snovi, ki so bogate z ogljikom. Najkakovostnejša vlakna se pri­ dobivajo iz poliakrilonitrila (PAN), manj kakovostna pa tudi iz katranov in bitum­ nov ter iz celuloze. Z variiranjem proce­ sa grafitacije se pridobijo vlakna visoke trdnosti (pri okoli 2600°C) ali vlakna vi­ sokega modula elastičnosti (pri okoli 2600°C). V primerjavi z ostalimi vrstami 3,S O O 2 -i.s *1 O,S O Ogljik, toga Ogljik, E-steklo S-steklo Aram id Ro I i etilen visokotrdna Slika 2: P rim erjava m ehanskih la s tn o s t i m a tr ič n ih po lim e ro v p ri ra z ličn ih pogojih nege [G uide to C om pos ites , 20021 Gradbeni vestnik • letnik 51, junij, 2002 R. ŽARNIC: Osnovne lastnosti polimernih kompozitov vlaken imajo ogljikova vlakna visoko trd­ nost in srednje do izjemno visok modul elastičnosti, korozijsko odpornost, odpor­ nost proti lezenju in utrujanju ter razme­ roma nizko udarno trdnost. Uporabljajo se za izdelavo kompozitov visoke trdno­ sti in togosti. Ker so ogljikova vlakna in polimerna matrica kemično povezani, lahko stik prenaša izjemne obremenitve, kar dodatno prispeva k visoki trdnosti to­ vrstnih kompozitov. Iz taline zmesi kremenčevega peska, ka­ olina, apnenca in kolemanita pri 1600°C se skozi tenke šobe vlečejo in hladijo steklena vlakna. Iz različnih razmerij su­ rovin in dodatkov se izdelujejo steklena vlakna različnih vrst. V kompozitih se najpogosteje uporabljajo vlakna iz A- stekla (alkalna), E-stekla (električna), C- stekla (kemična). A-stekla so občutljiva za alkalno korozijo, E-stekla so srednje alkalno odporna, C-stekla pa visoko alkalno odporna. Na trgu se dobijo tudi alkalno izjemno odporna steklena vlakna, ki pa so tudi dokaj draga (NEG ARG vlak­ na z visoko vsebnostjo Zr02). Zaradi sprejemljive cene in razmeroma dobrih tehničnih lastnosti je najbolj razširjena uporaba E-stekel. Kompoziti, armirani s steklenimi vlakni, so težji in imajo manj­ šo trdnost in togost, a so nekajkrat cenej­ ši od kompozitov z ogljikovimi vlakni. Zaradi občutljivosti stekla za alkalno ko­ rozijo mora matrični material prenašati obremenitve in deformacije tako, da je obseg poškodb in razpok, ki bi omogočile prodor alkalij do steklenih vlaken, čim manjši. To je zlasti pomembno tam, kjer kompoziti pridejo v stik z vlažnimi beto­ ni ali maltami. Aramid je sintetizirani polimer, iz katere­ ga se izdelujejo vlakna z različnimi ko­ mercialnimi imeni (Twaron®, Kevlar®). Imajo veliko specifično trdnost in odpor­ nost proti udarnim obremenitvam. Tlač­ na trdnost je podobna tlačni trdnosti E- steklenih vlaken. Odporna so proti toplot­ nim obremenitvam, propadanju zaradi ke­ mičnih in toplotnih vplivov, manj pa odporna proti UV žarkom. Aramidna vlak­ na so primerna za armiranje kompozitov, ki so izpostavljeni udarni obremenitvi. Taki kompoziti so sposobni absorpcije in disipacije energije in imajo visoko obra­ bno odpornost. V preglednici 2 so primerjane posamez­ ne lastnosti vlaken na način, ki pokaže 3,5 3 O gljik , to g a O g ljik , E -s tek lo S -s te k lo A ra m id P o lie tilen v iso k o trd n a Slika 3: P rim erjava cen posam eznih v r s t vlaken glede na v is o k o trd n a ogljikova vlakna (indeks 1) L astn ost A ra m id O g ljik S tek lo L a stn o st A ra m id O g lj ik S tek lo V isoka n a te zn a trd n o st B A B V iso k a s trižn a trd n o s t v ra v n m i B A A V isoki na tezn i m odu l B A C N iz k a gosto ta A B C V isoka tla čn a trd n o st C A B V iso k a o d p o rn o s t n a u tru ja n je B A C V isoki tlačn i m o d u l B A C V isoka p o ž a rn a o d p o rn o s t A C A V isoka u p o g ib n a trd n o st C A B V iso k a to p lo tn a izo la tiv n o s t A C B V isoki u p o g ib n i m odul B A C V iso k a e le k tro iz o la tiv n o s t B C A V isoka u d a rn a trd n o st A C B N izk i to p lo tn i ra z te z e k A A A V isoka m ed p la s tn a s tr ižn a trd n o s t B A A N iz k a cen a C C A Preglednica 2: P rim erjava la s tn o s t i ra z ličn ih vlaken: A -n a jb o lj iz ražena , C -na jm anj iz ražena la s tn o s t Gradbeni vestnik • letnik 51, junij, 2002 R. ŽARNIC: Osnovne lastnosti polimernih kompozitov plosko tk a n je (p la in w ea ve) tkanje v križ (twill weave) gladko tkanje 5HS (satin weave) 444- ___ Slika 4: Osnovni načini tk a n ja vlaken lepilna plast zunanja plast sestavljeni kom pozit (sandw ich) šivani plastovltl kom pozit z različno usmerjenimi vlakni Slika 5: P rim e ri se s ta v lja n ja vlaken in p la s t i kom pozitov prednosti posameznih vrst vlaken in pri­ mernosti za različno uporabo. Oznaka A pomeni, da je obravnavana lastnost vlak­ na najbolj izražena, oznaka C pa da je lastnost najmanj izražena. Na sliki 3 so primerjane tudi cene posameznih vlaken. Iz vlaken tkejo tkanine, ki so močna kom- pozitna armatura. Različni načini tkanja dajejo tkaninam različno togost v ravni­ ni in s tem možnost oblikovanja tudi najbolj zapletenih oblik izdelkov. Najpo­ gosteje se uporabljajo tkanine, ki so stka­ ne s ploskim, križnim in gladkim tkanjem. Niti, ki tečejo s koluta, tvorijo osnovo. Niti, ki jih skozi osnovo pretika čolniček, tvorijo votek. Pri ploskem tkanju se niti osnove in votka prepletajo izmenično in tako ustvarjajo tkanino, ki je zelo odpor­ na proti deformacijam v svoji ravnini. Do­ bro se prilagaja ostrim spremembam oblik profilov. Križna tkanina nastane z iz­ meničnim pretikanjem po dveh vlaken osnove z dvema vlakni votka, Tkanina je enaka na obeh ploskvah, tako kot plosko tkana tkanina. Laže se deformira v svoji ravnini in s tem prilagaja želeni obliki kompozitnega izdelka. Še bolj prilagodlji­ va je tkanina, ki nastane z gladkim tkanjem. Pri tej vlakno votka teče pod določenim številom vlaken osnove, prekriža eno vlakno osnove in ponovno poteka pod več vlakni osnove. Na sliki 4 so shematsko prikazana vsi trije opisani načini tkanja. SESTAVLJANJE KOM ­ PONENT Narava kompozitnih materialov je taka, da projektantu konstrukcije omogoča ne samo njihovo uporabo z upoštevanjem danih la­ stnosti, temveč tudi načrtovanje lastnosti kompozitov. To pomeni, da se lahko izdela material, ki bo na različnih delih kon­ strukcije imel različne lastnosti izbrane tako, da prenaša pričakovane obremenitve. Pri tem se znotraj kompozita lahko upora­ bijo tudi različni dodani materiali kot na primer vlakna različnih vrst. Na ta način se lahko z vgradnjo cenejših vlaken v manj obremenjene dele konstrukcije doseže večja ekonomičnost konstrukcije. Dva primera različne razporeditve dveh vrst vlaken sta prikazana na sliki 5. Kompozitni trakovi in plošče se lahko sestavljajo v večplastne laminatne struk­ ture, ki se povežejo s šivanjem in tako nastanejo tridimenzionalno armirani po­ limerni materiali z izrednimi mehanskimi lastnostmi in veliko odpornostjo. Take trakove je treba apretirati po šivanju. Vsaka plast laminata je armirana z vlak­ ni, vgrajenimi pod različnim kotom gle­ de na vzdolžno os laminata. Iz teh kom­ pozitov se lahko oblikujejo različni kon­ strukcijski elementi z lokalnimi ojačitva­ mi in želenimi lokalnimi materialnimi la­ stnostmi. Pri konstruiranju in optimizaciji izdelkov iz laminatov morata zaradi zahtevnosti tesno sodelovati tehnolog in projektant. Pogosto so potrebne tudi spremljevalne eksperimentalne preiskave materialov in njihovih sklopov ter razvoj in eksperi­ mentalna verifikacija matematičnih mo­ delov. Slika 6 prikazuje pristop k projek­ tiranju, kot ga na podlagi dolgoletnih izkušenj s preiskavami in dimenzioni­ ranjem poliestrskih laminatov predlaga Makarovič, ki je pred štirinajstimi leti s sodelavci opravil obsežne laboratorijske raziskave poliestrskih laminatov [Maka­ rovič, 1988], Prikazani pristop je na splošno primeren za projektiranje in optimizacijo kon­ strukcij iz zgrajenih kompozitov, zlasti še, ker je danes na voljo kakovostna pro­ gramska oprema in visoko zmogljivi računalniki. Prednosti računsko podprte­ ga načrtovanja so očitne. Kompozitne materiale lahko sestavljamo v različne vrste sklopov, pri katerih se lastnosti posameznih komponent opti­ malno izkoriščajo. Med posebej učinko­ vite sklope sodijo sestavljeni (sandwich) sklopi (slika 5 in preglednica 3). Mehanske lastnosti jedra so lahko različ­ ne v odvisnosti od uporabljenih materia­ lov, strukture in stroškov, ki si jih lahko privoščimo. Jedro v vsakem primeru bi­ stveno zviša nosilnost sklopa in njegovo togost ob minimalnem povečanju mase. Tanki kompozitni plasti sta prilepljeni na Gradbeni vestnik • letnik 51, junij, 2002 R. ŽARNIC: Osnovne lastnosti polimernih kompozitov obe ploskvi lahkega jedra, kar ustvari podoben učinek, kot je dosežen pri pro­ filih z nosilnimi pasnicami in vmesno stojino, le da je jedro uklonsko bolj sta­ bilno od tanke stojine. Pri sodobnih kon­ strukcijah se večinoma uporabljajo lahka kovinska in nekovinska jedra, ki so oblikovana kot satovje. Visoka nosilnost in togost konstrukcije se doseže z alumi- izračun za posamezne točke ali prereze omejeno število izračunov upoštevanje homogenosti materiala po celi debelini plasti ni možno upoštevati lokalnih ojačitev nezadostnost podatkov o razmerah v realnih kritičnih presekih (detajlih) omejene možnosti kombiniranja plasti in optimizacije • izračun v poljubnem številu točk in plasti • upoštevanje materialnih karateristik vsake plasti • upoštevanje geometrijke in materialne nelinearnosti • možnost termomehanske analize • možnost vstavljanja in upoštevanja lokalnih ojačitev • optimizacija izdelka s ponovitvami izračuna za različne geometrijske in materialne konfiguracije • vizualizacija rezultatov z grafičnimi predstavitvami kar pomaga pri identifikaciji kritičnih mest • obvezna izdelava prototipa pri vsaki spremembi sestave materialov in preskus do porušitve • težavno in nezanesljivo neporušno preskušanje posameznega izdelka pri tekoča kontroli kakovosti • verifikacija matematičnega modela za vsak tip konstrukcije • verificiran model nadomešča izdelavo prototipov zaradi modifikacije materialov in konstrukcije • možna je nedestruktivna kontrola kakovosti izdelkov • možno je enostavno prilagajanje tehnologije in tehničnih lastnosti novim materialom in oblikam obtežba, te m p e ra tu rn i pogoji, kemiSlika 6: P ostopk i k o n s tru ira n ja in o p tim iza c ije izdelkov iz lam ina tov [d im enz ion iran je , jska o d p o rn o s t in o s ta le zahteve) [M akarov ič , 1 9 8 8 ) Gradbeni vestnik • letnik 51, junij, 2002 R. ŽARNIC: Osnovne lastnosti polimernih kompozitov nijevim satovjem, ki ima visoko speci­ fično trdnost (razmerje med trdnostjo in maso) in je razmeroma poceni. Pri upo­ rabi kompozitnih plasti armiranih z ogljikovimi vlakni lahko pride do koro­ zijskih problemov, če aluminijevo sato­ vje ni izolirano z ustrezno vmesno lepil­ no plastjo, ki ovira galvansko korozijo. Satovje Nomex® je sestavljeno iz celic narejenih iz tankega materiala in impre­ gniranih s potapljanjem v epoksidno smolo. Satovje ima visoko specifično tlačno in natezno trdnost (90-99 % votlost), je odporno proti udarcem in flek­ sibilno, je najlažja vrsta jedra, požarno odporna in dokaj draga. V glavnem se uporablja v letalski industriji, toda razvijajo se tudi druga področja uporabe. Cenejše vrste satovja so narejene iz ter­ moplastov. Njihove lastnosti so veliko slabše, izdelava kakovostnih elementov pa težavna zaradi problemov, povezanih z lepljenjem kompozitnih plasti na povr­ šino satovja. Poleg satovja se kot jedro uporablja tudi lahek les balza in različne polimerne pene. Jedro iz balze ima visoko tlačno trdnost in je dober toplotni in zvočni izo­ lator. Slaba lastnost je relativno velika gostota in poroznost, tako da je površi­ no jedra iz balze potrebno pred pola­ ganjem kompozitnih plasti impregnirati. Polimerne pene so veliko lažje od balze. Uporabljajo se pene iz polivinilklorida (PVC), polistirena (PS), poliuretana (PU), akrila (PMMA), stirenakrilonitrila (SAN) in politermida (PEI). PVC pene so upo­ rabne v temperaturnem območju do 80°C, ne vpijajo tekočin in so odporne proti mnogim kemikalijam, imajo urav­ novešene statične in dinamične material­ ne lastnosti ter so najpogosteje upora­ bljane pene v sestavljenih kompozitnih. Najboljše mehanske lastnosti imajo akri- sendvič s poliuretansko peno armirana plastika sendvič s satovjem iz impregniranega papirja in aluminija satovje iz impregniranega papirja (Nomex aluminijsko satovje raCL S ■#■*V) oc ■p rac>ora 6 5 4 3 2 1 O 30 40 50 60 70 80 90 100 Gostota [kg/m3] 30 40 50 60 70 80 90 100 Gostota [kg/m3] Slika 7: P rim erjava tla č n ih in s t r iž n ih t r d n o s t i kom poz itn ih je d e r v o d v isn o s ti od njihove g o s to te Gradbeni vestnik • letnik 51, junij, 2002 R. ŽARNIC: Osnovne lastnosti polimernih kompozitov Ine pene, ki so odporne proti višjim tem­ peraturam kot PVC pene, a so tudi dražje. SAN pene so podobne PVC penam, le da so bolj žilave. PEI pene so požarno bolj odporne kot ostale polimerne pene, pre­ nesejo temperature do 180°C, vendar so drage. Gostejši materiali, ki jih uporabljajo za jedra, imajo tudi višje strižne in tlačne trdnosti, kar je pomembno upoštevati pri načrtovanju sestavljenih kompozitov. Na sliki 7 je prikazana odvisnost teh dveh mehanskih lastnosti od gostote različnih materialov. Pri lažjih jedrih iz pen so pore večje in je zato poraba polimernih smol za zunanje plasti večja, kar poveča tudi maso celotnega sestavljenega kompozi- ta. Pri satovjih se da doseči zelo majhna zapolnitev odprtin s smolami, če se te dobro prilepijo na tenke stene satovja. Zato je tako sestavljeni kompozit izredno lahek. Z lepljenjem laminiranih vrhnjih plasti kompozita na jedro se doseže stik, ki pre­ naša strižne obremenitve in se zato tako sestavljen kompozit obnaša kot enovit material. Z variiranjem debeline lahkega jedra se lahko dosežejo različne stopnje nosilnosti prereza in togosti konstrukcije. V preglednici 3 primerjamo razmerje med upogibnimi nosilnostmi in togostmi kom­ pozitov z različno debelino jedra, ki pa imajo zaradi lahkosti jedra približno enako maso. Vpliv debeline jedra na la­ stnosti kompozita enostavno ilustrira učinkovitost tako sestavljenega kompozi­ ta in njegovo veliko uporabnost za sno­ vanje gradbenih konstrukcij. Paneli, na­ rejeni iz sestavljenih kompozitov imajo veliko upogibno in strižno togost ter majhno maso, kar so ključne lastnosti konstrukcijskih elementov v potresno varnih konstrukcijah. BETONSKA ARM ATURA Ena izmed možnih uporab armiranih pla­ stik je tudi izdelava armature za kon­ strukcijske in nekonstrukcijske betonske elemente, ki ima v določenih primerih prednost pred tradicionalno jekleno ar­ maturo. Na Japonskem so po štiriletnih teoretičnih in eksperimentalnih raziska­ vah že leta 1993 izdali prva navodila za dimenzioniranje betonskih konstrukcij, armiranih s tovrstno armaturo. Povzetek teh navodil so objavili tudi v angleščini [Sonobe et al„ 1997], Leta 1996 so v Kanadi [CSA, 1996] izšli predpisi, ki obravnavajo uporabo kompozitne arma­ ture pri projektiranju avtocestnih mostov. Leta 1998 so izšla priporočila za dimen­ zioniranje tudi v ZDA [ACI, 1998], V Evro­ pi je v zadnjih petih letih raziskavam možnosti uporabe kompozitne armature posvečeno nekaj projektov. Med rezulta­ ti teh preiskav je tudi demonstracijski most [Taerwe, 1997], Na sliki 8 so naštete vrste vlaken, matric in oblike armature za betonske kon­ strukcije, kot so sistematično obravnava­ ne v japonskih navodilih za dimenzioni­ ranje. Kompozitne palice se zaradi po­ večanja sprijemne trdnosti z betonom pogosto površinsko obdelajo z nale­ pljenem kremenčevega peska, z ovijanjem vlaken ali s profiliranjem po­ vršine matrice. Za razliko od z jeklom armiranega prereza mora biti s kompozit- nimi palicami armirani prerez predimen­ zioniran, saj kompozitne palice niso duk- tilne in je njihova porušitev krhka. Mini­ malni odstotek armiranja je pogojen s preprečitvijo nateznega pretrga kompozit- nih palic. To pomeni, da se pri dimenzio­ niranju vedno upošteva mehanizem krhke laminat brez jedra i s i i i l l l l l l l l i ' 2 -A laminat z jedrom debeline t mm ””TT■1 4 i i i i i i i i 1 1 1 1 t i 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 t laminat z jedrom debeline 3t Relativna togost 1 37 Relativna upogibna trdnost 3,5 9,25 Relativna masa 1,03 1,06 Preglednica 3: Vpliv debeline jed ra na la s tn o s t i s e s ta v lje n e g a kom pozita Gradbeni vestnik • letnik 51, junij, 2002 R. ŽARNIC: Osnovne lastnosti polimernih kompozitov Prednosti Pomanjkljivosti a) Specifična trdnost a) Visoka cena (10-15 višja kot pri jeklu) b) Nizek modul elastičnosti (aramid in steklo) b) Korozijska odpornost c) Nizka porušna defomiacija v primeijavi z jeklom c) Elektromagnetna nevtralnost d) Dolgotrajna trdnost nižja od trenutne statične d) Odpornost na utrujanje (pri ogljikovih in aramidnih vlaknih 3 e) Možne poškodbe zaradi UV žarčenja e) Nizek koeficient toplotnega 0 Vprašljiva trajnost aramida in stekla raztezka v vodi g) Neznana trajnost stekla v alkalnem okolju h) Vprašljiva odpornost na utrujanje steklenih vlaken Preglednica 4: P rim erjava p re d n o s ti in s la b o s ti kom poz itne a rm a tu re za a rm ira n je be to na porušitve betona v tlaku bistveno pred izčrpanjem trdnosti kompozitne armatu­ re. Pri betonih, ki jih želimo armirati s polimerno kompozitno armaturo, je tre­ ba posebno pozornost posvetiti njihovi modifikaciji zaradi zagotovitve kompati­ bilnosti betona in armature. Modul ela­ stičnosti betona je treba karseda približati modulu elastičnosti kompozitne armature in zagotoviti dobro sprijemnost armature in betona. V preglednici 4 so naštete pre­ dnosti in pomanjkljivosti kompozitne ar­ mature, ki jih je treba upoštevati pred odločanjem o njihovi uporabi. Prednosti armiranih plastik (visoka trd­ nost, razmeroma nizek modul elastično­ sti v primerjavi z jeklom, elastično ob­ našanje) so bolje izkoriščene pri predna- penjanju ali ponapenjanju. Kabli z stek­ lenimi, aramidnimi ali ogljikovimi vlakni imajo do 70 % prostorninskega deleža vlaken. Oblikovani so kot palice s krožnim prerezom, ploski trakovi, kabli s 7,19 ali 37 prameni in kot pleteni kabli. Natezne lastnosti kablov so odvisne od vrste vlaken in matrice, prostorninskega raz­ merja vlaken in matrice, načina izdelave, premera palic (palice večjega premera so razmeroma manj nosilne) in sistema si­ dranja kablov. Kabli z aramidnimi in ogljikovimi vlakni so primerni za vgra­ dnjo v beton, za razliko od kablov s stek­ lenimi vlakni, ki so manj odporna proti alkalni koroziji. Pri odločitvi o uporabi ka­ blov iz armirane plastike je treba posebej preučiti probleme, ki lahko nastanejo za­ radi relaksacije, lezenja, nateznega utrujanja, sprijemnosti med kompozitom in betonom, vnosom sil prednapenjanja in ostalim vplivom, ki se pri kompozitnih kablih kažejo na drug način kot pri jekle­ nih kablih. Zaradi nižjega modula elastič­ nosti kompozitnih kablov so nižje tudi Vrste vlaken Anorganska -- ogljikova steklena C c na osnovi PAN (poliakrilonitril) na osnovi katrana/bitumna alkalno odporna stekla E - stekla Vrste matričnih veziv Organska — — epoksi vinil ester — nenasičeni poliestri ostale vrste Organska aramidna polivinil alkoholna (vinilon) ostale vrste Anorganska ------ posebne vrste cementov Vrste kompozitnih armatur — gladka okrogla - c neobdelana površina obdelana površina — ovita z vlakni posuta s peskom druge obdelave - palice Armatura - ravna gladka pravokotna -[ sukana rebrasta ----- prepletena neobdelana površina obdelana površina neobdelana površina obdelana površina — posuta s peskom ravninska in tridimenzionalna armatura Slika 8: Pregled m a te r ia lo v in v r s t kom poz itn ih a rm a tu r za be ton tSonobe e t a l. , 19971 Gradbeni vestnik • letnik 51, junij, 2002 R. ŽARNIC: Osnovne lastnosti polimernih kompozitov izgube prednapetja zaradi manjšega vpli­ va lezenja betona, krčenja in ugrezanja sidrišč v beton. Različne vrste kompozit- nih kablov različno relaksirajo. V splo­ šnem je relaksacija kablov s steklenimi in ogljikovimi vlakni velikostnega reda re­ laksacije jeklenih kablov, relaksacija ka­ blov z aramidnimi vlakni pa večja. Poseb­ no pozornost je treba posvetiti načinom sidranja kablov, ki so praviloma tehnolo­ ško bolj zahtevni od sidranja jeklenih kablov. TRAJNOST ARMIRANIH PLASTIK Armirane plastike so izpostavljene različ­ nim vplivom, ki povzročajo njihovo sta­ ranje in propadanje. Korozijski procesi so manj izraziti in bolj počasni kot pri mno­ gih tradicionalnih materialih, a so posle­ dica kemične zgradbe komponent in njihove odpornosti proti različnim agen­ som. Armirane plastike so tudi občutlji­ ve za nastanek in širjenje mikrorazpok ter utrujanje. Pri armiranih plastikah, ki so izpostavljene vlažnemu okolju ali so po­ topljene v vodo, sta pogost vzrok za po­ spešeno propadanje tudi pronicanje vode in osmoza. Procese propadanja ovirajo zaščitne plasti na zunanjih površinah ar­ miranih plastik (gel-coat) in obdelave armaturnih vlaken (apreture), vendar jih v veliko primerih na daljši rok ne morejo povsem ustaviti. RAZVOJ IN VPLIV MIKRORAZPOK TER ODPORNOST KOM PO ZI- TA PROTI UTRUJANJU Razširjeno mnenje je, da je trdnost lami­ natov enaka njihovi porušni obremenitvi, pri kateri se zlomi matrična plastika in pretrgajo vlakna. Vendar pa se že pred to obremenitvijo doseže napetostno stanje pri katerem se matrična osnova začne ločevati od vlaken, ki ne potekajo povsem v smeri delujoče obremenitve. Te razpo­ ke se postopoma širijo skozi matrico in se povezujejo v mrežo mikrorazpok. Tako mikrorazpoke Slika 8: a - e d iag ram la m in a ta z vidno mejo nastanka m ikrorazpoke se začne proces porušitve. Pri projekti­ ranju trajnih konstrukcij iz laminatov je treba upoštevati mejo nastanka prvih mikrorazpok kot odločilno mejo, ki jo je pri projektiranju treba upoštevati kot začetek procesa zmanjševanja nosilnosti armature (Slika 9). Deformacije, ki jih lahko doseže laminat pred pojavom prvih mikrorazpok, so odvi­ sne od žilavosti in lepilnih lastnosti ma­ tričnega materiala. Pri krhkih smolah, kot so npr. določene kvalitete nenasičenih poliestrov, nastanejo mikrorazpoke zelo zgodaj in s tem omejujejo možnost var­ nega deformiranja laminata. Glede na podatke iz literature se pri nenasičenih poliestrih, armiranih s steklenimi tkani­ nami, mikrorazpoke pojavijo že pri defor­ macijah, ki so nekajkrat nižje od defor­ macij, doseženih pri porušitvi laminata. Epoksidne smole so bolj odporne proti nastanku in razvoju mikrorazpok kot ne­ nasičene poliestrske smole. Glede na to, da je trdnost laminata odvi­ sna od pretrga vlaken v celoti, mikro­ razpoke ne vplivajo takoj na nosilnost laminata. Razpokani laminat vsrka veliko več vlage kot nerazpokani. Zaradi tega se poveča njegova masa, vlaga reagira z nepolimerizirano smolo v žepkih in po­ vzroča odlepljanje vlaken. Posledica je zmanjšanje togosti laminata in znižanje njegovih mehanskih lastnosti. Odpornost kompozitov proti utrujanju je višja od odpornosti večine kovin. Poru­ šitev zaradi utrujanja je odvisna od po­ stopne akumulacije malih poškodb. Zato je tudi odpornost proti utrujanju kompo­ zitov odvisna od žilavosti matričnega ma­ teriala, njegove odpornosti proti nastanku in širjenju mikrorazpok in količine por in drugih napak v materialu, ki so nastale med njegovo izdelavo. Mehanizem poru­ šitve zaradi utrujanja lahko nastopi zara­ di pretrga posameznih vlaken znotraj matrice, odlepljanja vlaken od matrice, nastanka in širjenja razpok v matrici in medplastne strižne porušitve. PROPADANJE ZARADI VDORA VODE IN ZAR A­ DI OSMOZE Pomembna lastnost sintetičnih smol je njihova odpornost proti vplivom vode, ki se posebej pokaže pri kompozitih v zelo vlažnih okoljih. Vsaka armirana plastika vpija določeno količino vode, kar po­ večuje njeno maso. Pomembno je, kako absorbirana voda v daljšem času vpliva na lastnosti matrice in na lastnosti stič­ nih površin med matrico in vlakni. Vini- lestrske in nenasičene poliestrske smo­ le so občutljive za vplive vode zaradi vo- dotopnosti estrov, ki tvorijo molekularno zgradbo. Zato tanki poliestrski laminati po enem letu v vodi lahko izgubijo tudi do 35 % medplastne strižne trdnosti. Pri bolj odpornih epoksidnih laminatih znaša ta izguba okoli 10 %. Na sliki 10 je prika­ zana primerjava znižanja medplastne poliester vinilester epoksi poliester vinilester epoksi Slika 9. P rim erjava izgube m e d p la s t­ ne s tr iž n e t rd n o s t i epoksidnega in p o lie s te rs k e g a la m in a ta s s tek leno tk a n in o p ri pospešenem propadan ju Gradbeni vestnik • letnik 51, junij, 2002 R. ZARNIĆ: Osnovne lastnosti polimernih kompozitov strižne trdnosti epoksidnih in poliestrskih laminatov armiranih s stekleno tkanino pri pospešenem propadanju zaradi poto- pljenosti v vodo, segreto na 100°C. V morskem okolju se skozi laminate gi­ blje majhna količina vodne pare. Pri počasnem prehodu skozi polimerno okolje vodna para reagira z vodotopnimi komponentami polimera in ustvarja pore, zapolnjene s koncentrirano raztopino. V osmotskem ciklu se postopoma povečuje pretok vode skozi tako ustvarjeno polpre­ pustno membrano, ki redči raztopino. Voda povečuje pritisk znotraj por do okoli 5MPa, kar povzroča poškodbe. Te so vi­ dne na površini kompozita v obliki ujetih mehurčkov. Znotraj por se lahko nalagajo tudi nečistoče, ki so posledica slabe proizvodnje kompozita kakor tudi moleku­ le estra, ki so se izločile iz poliestrskih ali vinilestrskih makromolekul. Ko se je proces osmotskega propadanja sprožil, je edini način popravila odstranitev poško­ dovanega dela kompozita, da se ne bi širilo propadanje. SKLEP Uveljavljanje armiranih plastik v gradbe­ ništvu je pogojeno s poznavanjem njiho­ vih osnovnih lastnosti in omejitev primer­ nosti uporabe. Zaradi nekaterih lastnosti, kot so korozijska odpornost in velika spe­ cifična trdnost, ponujajo ekonomične in trajne rešitve mnogih konstrukcijskih pro­ blemov. Posebej so primerne za popra­ vila in utrditve obstoječih konstrukcij, izpostavljenih zahtevnim vplivom okolja ali izrednim obtežbam, kot je potres. Z razvojem standardov in specifikacij ter metod projektiranja bo uporaba armira­ nih plastik stalno naraščala. Pri uporabi armiranih plastik je treba razviti občutek za posebnosti tega materiala in le te izkoristiti kot njihovo primerjalno pred­ nost glede na tradicionalne materiale. Uspešna in racionalna uporaba armiranih plastik je tudi pogojena z izkoriščanjem njihovih posebnih lastnosti tako, da se ne skušajo obravnavati na enak način kot ka­ teri od bolj znanih tradicionalnih materia­ lov. Pri tem pa se je treba zavedati omeji­ tev, ki jih narekujejo lastnosti materialov, ki tvorijo kompozite. Najbolj osnovne omejitve izvirajo iz upoštevanja tempera­ turnih območij, v katerih so polimerni kompoziti uporabni. Že pri temperaturah okoli 60°C so mehanske lastnosti nekate­ rih kompozitov bistveno drugačne kot pri sobni temperaturi [Makarovič, 1988], še posebej pa je lahko problematična požarna odpornost kompozitnih konstrukcij. Zato je pri snovanju kompozitnih konstrukcij in utrditev klasičnih konstrukcij s kompoziti posebej treba načrtovati tudi zaščito pred segrevanjem in požarom. L ITER ATU R A Lopez-Anido R.A. in Naik T.R, Emerging Materials for Civil Engineering, State of the Art, The American Society of Civil Engi­ neers, Reston, Virginia, 2000. Jones R.M., Mechanics of Composite Materials, 2nd Edition, Taylor&Francis, Philadelphia, PA., 1999. Mallick, PK„ Fiber-Reinforced Composites, Materials, Manufacturing and Design, 2nd Edition, M.Dekker, New York, NY, 1994. Tsai S.W., Theory of Composites Design, 2nd Edition, Thikk Composites, Palo Alto, CA„ 1992. Barbero E.J., Introduction to Composite Materials Design, Taylor&Francis, Philadelphia, 1998. Guide to Composites, http://www.netcomoosites.com/education.asp. 2002. Sonobe Y, Fukuyama hi., Okamoto T„ Kani N., Kimura K„ Kobayashi K„ Masuda Y, Matsuzaki Y, Mochizuki S., Nagasaka T„ Shimizu A., Tanano H., Tanigaki M. in Teshigawara M., Design Guidelinies of FRP Reinforced Concrete Building Structures, Journal of Composites for Constructions, Vol. 1, No. 3, str. 90-11,1997. Canadian Standards Association (CSA), Canadian Highways Bridge Design Code, Section 16, Fiber Reinforced Structures (CHBDC), Toronto, Canada, 28 str., 1996. American Concrete Institute (ACI), Provisional Design Recommendations for Concrete Reinforced with FRP Bars, Committee 440, farmington Hills, Mi., 1998. Makarovič M., Dimenzioniranje poliesterskih laminatov, Raziskovalni projekt PORS 06-1686-227-86, Poročilo ZRMK - IK- FIS, Ljubljana, 1988. Taerwe L, FRP Activities in Europe: Survey of Research and Applications, Proceedings of the 3rd International Symposium on Non-Metalic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures (FRPRCS-3), Sapporo, Japan, Vol. 1, pp. 59-74., 1997. M. RISMAL: Problematika načrtovanja in izgradnje ljubljanske čistilne naprave PROBLEMATIKA NAČRTOVANJA IN IZGRADNJE LJUBLJANSKE ČISTILNE NAPRAVE CONSTRUCTION OF LJUBLJANA WASTE WATER TREATMENT PLANT STROKOVNI! ČLANEK UDK 628.32 : 628.4 LJUBLJANA M |TJA R|SMAL P O V Z E T E K P rispevek obravnava te h n o lo š k o » o dp rto« re š ite v potrjenega projekta prve etape visoko obremenjene biološke ljubljanske č is tilne naprave s 70 % čiščenjem. Pred 10 leti je bila po tem načrtu zgrajena mehanska stopnja čiščenja z upravno stavbo in ostalo in frastrukturo. Prikazani sta predvideni a lte rna tivn i reš itv i za dokončno izgradnjo č is tilne naprave s 95 % čiščenjem. Analiza obeh rešitev kaže, da je mogoče čistilno napravo dograditi za 50 % ceneje od pogodbene cene za napravo po novem projektu. S U M M A R Y The paper describes the »open« technology of officially con firm ed highly loaded p la n t w ith 70% e ffic ie n cy conceived as the f irs t step of the WWTP of the c ity of Ljubljana. The f irs t phase of th is project (mechanical p re -trea tm en t w ith complementary objects and in fras truc tu re w ith about 25% of the final value of the 95% efficiency plant] had been constructed 10 years ago and has since been already in operation. The tw o alternative solutions to complete the WWTP fo r the final 95% tre a tm e n t efficiency are described. Both alternatives show th a t the WWTP could be constructed fo r about ,50% lower price against the con tra c t price of the new project according to which the WWTP should be constructed. Avtor: Mitja Rismal 1 . U V O D Namen tega prispevka je osvetliti dosedanje projektiranje in pojasniti strokovna izho­ dišča na katerih je prof.dr. J. Kolar že pred letom 1990 zasnoval prvi in uradno potrjeni projekt obravnavane čistilne naprave. Približno 25 do 30 odstotkov naprave po tem projektu je zgrajenih (glavno črpališče, transformator, mehansko čiščenje - maščobnik, peskolov - ter pripadajoči objekti: obratna stavba, laboratoriji, delav­ nice, skladišče, garaže, ograja, zemljišče, in ostala infrastruktua) in 10 let v pogonu. V prispevku so navedeni tudi argumenti, zakaj prvi projekt ni kot obvezo pogojeval predčiščenje industrijskih odpadnih vo­ da (izjema so toksične in odpadne vode z veliko količino maščob), saj v danem pri­ meru to tehnično - ekonomsko ni bilo ute­ meljeno. Prav ta strokovno neutemeljena zahteva projektantov novega idejnega projekta [Slo­ kar, Vodopivec, 1990] po obveznem pre- dčiščenju tudi organskih industrijskih odplak (Pivovarna Union, tovarna celuloze v Medvo­ dah, mesna industrija itd.) je bila glavni »ar­ gument«, da sta mesto in JP VOKA naročila za 11,8 milijarde SIT novo, nesorazmerno drago projektno rešitev, po katerem naj bi se sedaj čistilna naprava dogradila. Izgradnja na­ prave pa je bila za deset let ustavljena. M. RISMAL: Problematika načrtovanja in izgradnje ljubljanske čistilne naprave 2. KR ATKA U T E M E L J IT E V IN OPIS P R O JE K T N E Z A S N O V E DR. K O L A R J A Načrtovanje takšne naprave pomeni velik investicijski napor in trajne obratovalne stroške, obenem pa pomeni naprava pr­ vorazredni ekološki objekt, ki zahteva ce­ lostno ekološko in ekonomsko presojo možnih rešitev. Ekonomski razlogi narekujejo načeloma etapno realizacijo ekoloških rešitev. Za ekologijo pa so pomembne »odprte« re­ šitve, ki v perspektivi omogočajo do­ grajevanje čistilnih naprav po novih zahtevah in spoznanjih. Upoštevaje ta načela so se, kolikor je bilo mogoče, upoštevale razmere, ki so odločilne za tehnološko zasnovo in eko­ nomičnost načrtovane naprave. • V času načrtovanja čistilne naprave so imele industrijske odplake v odpadni vodi mesta pomemben delež, v de­ vetdesetih letih pa je postala usoda nekaterih velikih onesnaževalcev (Tovarna celuloze v Medvodah) nego tova. Sposobnost industrije za izved­ bo lastnega predčiščenja ali za alter­ nativno sofinanciranje skupne cen­ tralne čistilne naprave je bila zato vprašljiva. Ker je industrija vezana na mestno kanalizacijo, je potrebno pou­ dariti, da predčiščenje zniža le stroš­ ke za biokemično, ne pa tudi za hidrav­ lično obremenitev centralne čistilne naprave. • • Objektivna negotovost o količini in ones­ naženju industrijskih odplak je nare­ kovala takšen načrt centralne čistil­ ne naprave, ki bo zagotovil enako stop­ njo čiščenja v širokem razponu bioke­ mičnih obremenitev. Znano je, da to omogoča prva adsorpcijska stopnja biološke čistilne naprave s poživ­ ljenim blatom. Specifičnost takšne naprave je, da očisti 70 % onesna­ ženja enako dobro pri enkratni kot pri petkratni biokemični obremenitvi [Im- hoff,1999]. V danem primeru to pome­ ni, da bi načrtovana naprava lahko poleg komunalnih očistila tudi vse or­ ganske odplake industrije brez pred­ čiščenja le-teh na industrijskih dvo­ riščih. Uspešnost takšne naprave je bila po­ trjena z enoletnim preizkusom na pi­ lotski čistilni napravi [IZH-FGG, 1989], na katero so se črpale odplake iz glav­ nega zbiralnika v Zalogu in dovažale odpadne vode tudi iz tedanje tovarne celuloze v Medvodah. Zaradi opisane lastnosti prve adsorp- cijske stopnje je odpadla potreba po predčiščenju organskih industrijskih odplak. Čiščenje teh, če je industrija vezana na mestno kanalizacijo, pa je tudi sicer pogosto cenejše na skup­ ni, mestni čistilni napravi. To je poka­ zala tudi mednarodna ekspertiza za mariborsko čistilno napravo. Predčiš­ čenje organsko visoko obremenjenih industrijskih odplak ima namreč lahko poleg pozitivnih (manjša poraba ener­ gije, če se za predčiščenje uporabijo anaerobni postopki - na primer UASBR) tudi negativne posledice za denitiri- fikacijo na centralni napravi. • Po s pilotskim preizkusom dokazani sposobnosti prve (adsorpcijske) viso­ ko obremenjene stopnje čistilne na­ prave, so bile sprejete naslednje od­ ločitve: 1. V prvi etapi se izgradi visoko obre menjena naprava s 70% čiščen­ jem, brez predčiščenja organskih odplak industrije; 2. V drugi etapi 95% čiščenje z nitri- fikacijo efluenta čistilne naprave; 3. v tretji etapi se dogradi denitrifka- cija in defosfatizacija ter po potrebi dezinfekcija efluenta. 3. UTEMELJITEV PRVEGA PROJEKTA ZA IZGRADNJO NAPRAVE S 70 % čiščenjem bi v najkrajšem možnem času in za relativno nizko ceno pomembno izboljšali kakovost Ljubljani­ ce in Save. Z izgradnjo in obratovanjem visoko obremenjene naprave pa bi prido­ bili tudi dobre podatke za tehnološko in ekonomsko najprimernejšo dokončno do­ graditev čistilne naprave. Projekt je upošteval tudi pravilo stroke, da je potrebno dokončno obdelavo in dispo­ zicijo blata zasnovati v povezavi s celostno rešitvijo mestnih odpadkov. Ker rešitev mestnih odpadkov še ni bila dorečena (de­ poniranje, kompostiranje, zažig itd.), kar tudi danes še ni, je bilo predvideno preho­ dno odlaganje blata (do končne rešitve mestnih odpadkov) na mestni deponiji. Če se blato pravilno vgrajuje, povečanje de­ ponije zanj ni potrebno. V komprimiranih smeteh je v preostalih prazninah za blato dovolj prostora [Oake, 1991], Enoletni pilotski preizkus je tudi pokazal, da je bilo mogoče dehidracijo blata rešiti s tedaj velikimi količinami filtrskega pepela iz mestne toplarne (enaka uporaba »fly ash« v ZDA). Opravljena analiza [IZH-FGG, 1990], [Oake, 1991] in strokovna literatura [Co­ lin,1991] pa dokazujeta, da je mogoče namesto v dragem gnilišču blato stabili­ zirati in pridobivati bioplin na mestni de­ poniji. Naprave za energetsko izkoriščanje bioplina so bile na deponiji že projektira­ ne in zgrajene. Sama količina bioplina iz blata na deponiji pa je primerljiva s proizvodnjo bioplina v gnilišču. Zato je bila gradnja gnilišča na čistilni napravi, ko tak energetski objekt na deponiji že obstoji, ekonomsko težko dokazljiva. Deponiranje biološkega blata na deponiji tudi pospešuje metansko vrenje, s čimer se izboljšuje sicer problematična kakovost izcedne vode. To so na kratko dejstva, po katerih je bila v prvi etapi odločena izgradnja visoko obremenjene čistilne naprave (adsor­ pcijske faze). Tako bi v najkrajšem mož­ nem času in za primerno ceno odpravili nevzdržno onesnaževanje Ljubljanice. Za načrtovanje in dokončno izgradnjo čisti­ lne naprave pa bi z obratovanjem prve stop- M. RISMAL: Problematika načrtovanja in izgradnje ljubljanske čistilne naprave nje pridobili najzanesljivejše podatke. Tak pristop je potrdila tudi študija [Stanley, 1993], ki jo je MOP leta 1992 naročila pri ameriških izvedencih Stanley Consultants. Ocena načrtovane visoko obremenjene prve stopnje je bila naslednja:.... «However, until the time when full treatment can be funded, the city of Ljubljana should provide the hi­ ghest level of treatment possible during the interim; i.e. the high rate biological system. From an environmental perspective this pro­ vides a significant improvement to treatment of Ljubljanas wastewater. Since only nomi­ nal removal rate expected with the high rate biological system will result in a vast im­ provement in surface water quality of the Ljubljanica and Sava Rivers. Therefore, a positive step towards satisying the water quality objectives will be taken.« Na upravičenost takšne odločitve kaže tudi razvoj čistilne tehnike v zadnjih desetih letih (hibridne tehnologije itd.) [Gamperer, 1997], [Boenke, 1999], Namesto da bi nadaljevali z realizacijo načrtovane visoko obremenjene stopnje, je bila njena izgradnja ustavljena. 4. PRIMERJAVA ALTERNATIVNIH REŠITEV ČISTILNE NAPRAVE Po desetih letih so o odpadnih vodah iz industrije na voljo bolj zanesljivi podatki. Odpadel je tudi največji onesna-ževalec tovarna celuloze v Medvodah. Zato bomo v nadaljevanju o količini in onesnaženosti odpadne vode uporabili te bolj aktualne podatke. V tem prispevku sta prikazani dve alternativni rešitvi za končno izgradnjo čistilne naprave, in sicer: a) Etapna izgradnja čistilne naprave po projektu prof.dr. J. Kolarja z visoko obre­ menjeno I. adsorpcijsko stopnjo. b) Etapna izgradnja čistilne naprave brez visoko obremenjene adsorpcijske stop­ nje. Kot osnovo za primerjavo v tem poročilu obra­ vnavanih variant so povzeti naslednji podatki o količini in onesnaženosti dotoka na ljubljan­ sko čistilno napravo.(preglednica 4.1) 4.1 OPIS VARIANTE A Z VISOKO OBREMENJENO ADSORPCIJSKO STOPNJO 4.1.1 Kratek opis visoko obrem enjene I. adsorp­ cijske stopnje čistilne naprave Visoko obremenjena I. adsorpcijska stopnja (slika 1.) je bila izbrana, kot že omenjeno, ker zagotavlja 70 % učinek [Imhoff, 1999] čiščenja v širokem razponu od enkratne do petkratne obre­ menitve. Zato ostajajo dimenzije viso­ ko obremenjene prve stopnje po Ko­ larjevem projektu tudi za nove podatke o odpadni vodi praktično nespre­ menjene. Za prvo etapo predstavlja ad­ sorpcijska stopnja glede na visok uči­ nek čiščenja najcenejšo rešitev. Brez večjih rekonstrukcij pa je mogoče uči­ nek naprave s širokim spektrom novih Tehnološki parametri Oznaka Enote Količina 1 Sušni dotok na Č.N. Qs m3/d 40.000 2 Dotok v času dežja Qd m3/d 120.000 3 Biokemična obremenitev čn Le PE 360.000 4 Biokemična obremenitev čn L kgBPKj/d 21.600 5 Količina dušičnih spojin Ntot k a; Ntot/d 3.960 6 Količina F Ftot kg Ftot/d 720 7 Netopne snovi TS0 KgSS/d 25.920 Preglednica 1: C e lo tn a ko lič ina in o n e s n a ž e n o s t d o to ka na č is t i ln o napravo tehnologij povečati na 95 % in več. Tehnološki parametri in dimenzije posa­ meznih elementov naprave z vgrajenimi količinami betona so podane v pregled­ nicah 2 in 3. Ker je glavno črpališče z mehanskim čiščenjem že izvedeno, je bilo potrebno za čiščenje vode predvideti le aeracijski bazen (5.167m3) in naknadni usedalnik (7.778m3). Vsi parametri čistilne napra­ ve so zaradi varnosti določeni za 60 % učinek, čeprav kažejo rezultati pilotske naprave in podatki iz literature na 70 % čiščenje. Veliko ceno in zahteve v pogonu naprave predstavlja predvideno gnilišče (9.688m3) za anaerobno stabilizacijo blata. Zato je bila preučena možnost dehidracije svežega blata s iz toplarne in deponiranje blata na mestni deponiji odpadkov. Zmanjšano prostornino gnilišča pa je mogoče koristno uporabiti za hidrolizo- nakisanje - proizvedenega blata za po­ speševanje denitrifikacije v naslednji stopnji čiščenja. Kot že rečeno, so preizkusi pokazali, da je mogoče pri mehanski dehidraciji (cen­ trifuge) blata uporabiti namesto koagu- lantov tedaj velike količine nadležnega filtrskega pepela iz toplarne. Skupna pro­ stornina centrifugirane mase blata in pe­ pela zaradi velike poroznosti pepela ni večja od prostornine samega pepela [IZH-FAGG, 1990], Ker se je pepel odvažal na deponijo, te zaradi deponiranja blata ni bilo potrebno povečati. Blato pospešuje metansko presnovo v de­ poniji in lahko skupaj z mestnimi odpadki v celoti nadomesti in preseže proizvodnjo bioplina v gnilišču. Pogoj pa je, da se pri vgradnji blato dobro premeša z mestnimi odpadki [Colin, 1991], Pospešeno metan­ sko vrenje izboljšuje kakovost problema­ tičnih izcednih voda iz deponije. Naprave za črpanje bioplina in proizvo­ dnjo električne energije na deponiji so bile načrtovane in so izgrajene. Navedena dejstva so omogočala opusti- M. RISMAL: Problematika načrtovanja in izgradnje ljubljanske čistilne naprave Tehnološki parametri Oznaka Enote Količina 1 Sušni dotok na Č.N. Qs m3/d 40.000 2 Dotok v času dežja Qd m3/d 120.000 3 Biokemična obremenitev čn Le PE 360.000 4 Biokemična obremenitev čn L kgBPKs/d 21.600 5 Učinek čiščenja n % 60 6 Očiščeno onesnaženje A Le PE 216.000 7 Odtok na H. stopnjo čiščenja AL kgBPK5/d 8.640 8 Specifična obremenitev čn Ls kgBPKj/kgSS L67 9 Koncentracija biol. blata X kgSS/m3 2,5 10 Starost biološkega blata Tbb dan 0,8 11 Indeks biološkega blata SVI 1/kgSS 70 12 Dnevna količina blata AW kgSS/d 16.147 13 Poraba kisika OC Kg02/d Kg02/h 10.248 427 Preglednica 2: Tehno lošk i p a ra m e tr i I. v iso ko o b rem e n je ne ta d s o rp s ijs k e ] s to p n je Prostornina objekta Premer objekta Količina vgrajenega 3m m m3 1 Aeracijski reaktor Va 5.167 37,00 628 2 Usedalnik Vu 7.778 50,50 987 3 Primarni zgoščevalec Vzgl 1.615 20,00 97 4 Gnilišče Vg 9.688 28,00 677 5 Sekundami zgoščevalec Vzg2 1.615 20,00 97 6 SKUPAJ 25.862 2487 Preglednica 3: D im enz ije v iso ko o b re m e n je n e I, » a d s o rp c ijs k e » s to p n je tev gradnje dragega gnilišča, s čimer bi se stroški prve etape in celotne končne naprave znatno znižali. 4.1.2. Kratek opis II. in III. stopnje variante A čistil­ ne naprave s nitrifikacijo, denitrifikacijo in defosfati- zacijo efluenta Prvo visoko obremenjeno »adsorpcijsko« stopnjo čiščenja je mogoče nadgraditi z nizom tehnologij. Predvidena je bila reši­ tev, ki prvo stopnjo brez modifikacij v ce­ loti ohrani, druga etapa z nitrifikacijo in de­ nitrifikacijo pa se izvede v novih reaktorjih. To etapo je mogoče dograditi v dveh ali v eni fazi: v prvi fazi nitrifikacijo, v drugi de­ nitrifikacijo ali oboje v eni fazi istočasno. Funkcionalna shema prve etape in izgra­ dnje obeh stopenj druge etape je na sliki 1. Obremenitev in tehnološki parametri II. stopnje čistilne naprave so podani v preg­ lednici 4 in dimenzije reaktorjev s pripa­ dajočimi količinami vgrajenega betona v preglednici 5. Zaradi znane problematike dvosto­ penjskih naprav v fazi denitrifikacije je za pospešitev denitrifkacije predvidena možnost delnega obvoda odpadne vode mimo prve na drugo stopnjo in uporaba hidroliziranega »supernatanta« (iz zmanj­ šane prostornine gnilišča prve stopnje) za denitrifikacijo na II. stopnji [Gampe- rer, 1997] (hibridna dvostopenjska napra­ va). V preglednici 5 so povzeti informativni podatki za izgradnjo in obratovanje čisti­ lne naprave po varianti A. Skupna pro­ stornina reaktorjev znaša 76.834m3 z 9.803 m3 vgrajenega betona. Dnevno ko­ ličino proizvedenega blata je mogoče oceniti 19.567 kgSS/d ali pri ca. 30% sušini na 65 m3/d. Potrebno moč za ae- racijo pa pri vnosu 3 kg02/kWh pa na ca. 580 kW ali 13.940 kWh/d. 4.2. OPIS VARIANTE B Z DELNO AEROBNO STA­ BILIZACIJO, NITRIFIKA­ CIJO - DENITRIFKACIJO IN DEFOSFATIZACIJO EFLUENTA (SLIKA2) Funkcionalna shema te variante je na sliki 2. Ker pred desetimi leti prva visoko obre­ menjena stopnja s 70 % čiščenja ni bila zagrajena, je sedaj mogoče izgraditi čisti­ lno napravo s podaljšano aeracijo oziro­ ma z nitrifikacijo in denitrifikacijo efluen­ ta brez prve visoko obremenjene stopnje. V preglednicah 6 in 7 je za to varianto po­ dana obremenitev, tehnološki parametri čiščenja in dimenzije reaktorjev in nakna­ dnih usedalnikov, ki so kot pri prvi varianti, predvideni v statično in hidravlično ugo­ dni krožni obliki. Tehnično-ekonomska utemeljenost takšne tehnologije je dokazana na mnogih prime­ rih tudi v svetu [Janssen, 1996], V primerjavi z varianto A je skupna pros­ tornina bazenov za ca. 30 % in poraba energije za aeracijo za ca. 80 % večja (razlika v skupni porabi energije je nekaj manjša, ker je ostala poraba energije pri prvi varianti večja). M. RISMAL: Problematika načrtovanja in izgradnje ljubljanske čistilne naprave 5. SKLEPI V preglednici 8. so povzeti karakteristič­ ni parametri obeh obravnavanih variant čiščenja. Iz slike 1 je razvidno, da bi se zgrajena prva stopnja brez rekonstrukcije lahko vključila v obe v tem prispevku obravna­ vni rešitvi. V primeru osvojitve variante B bi bilo potrebno prvi stopnji dodati le biološki reaktor s prostornino 18.000m3. Podrobnejša analiza investicijskih in po­ gonskih stroškov bi pokazala, katera od variant A ali B je v danem primeru ugod­ nejša. Takšna analiza (enako kot dokazuje ma­ riborska čistilna naprava in mednarodne izkušnje) bi tudi pokazala, da anaerobna stabilizacija blata (gnilišče) pri nizko obremenjenih čistilnih napravah z nitri- fikacijo, denitrifikacijo in defosfatizacijo nima ekonomskih prednosti, povečuje pa zahtevnost obratovanja. Enako velja za rešitev končne obdelave in dispozicije blata, ki bi morala biti obra­ vnavana v sklopu celostne rešitve odpa­ dkov mesta. Ker ta še ni dorečena, je za prehodno obdobje najprimernejše depo­ niranje dehidriranega blata na mestni de­ poniji. Ob pravilni vgradnji blata se pro­ stornina deponije praktično ne poveča. S presnovo blata so povečane količine bioplina na deponiji večje, kot bi jih pri­ dobili na gnilišču. To je dodaten razlog, da gradnja gnilišča v energetskem pogle­ du ni utemeljena. Če novi projekt, po katerem naj bi se se­ daj izgradila ljubljanska čistilna napra­ va, presojamo v luči podatkov iz tega prispevka, je mogoče ugotoviti predvsem naslednje: 1. Podpisana pogodbena cena za dogra ditev čistilne naprave za 360.000 PE znaša 11,8 milijarde SIT. Če ocenimo, da je vrednost betonskih in zemeljskih del za izgradnjo predvi- Prostornina objektov Premer objektov Količina vgrajenega m3 m m3 1 Skupna prostornina bioloških reaktorjev V 22.476 3x45, OOm 3.648 2 Anaerobni reaktorji za defosfatizacijo Vp -3333 3 Anoksični reaktorji za denitrifikacijo Vdn -7.680 4 Aerobni reaktorji za nitrifikacijo Vn -11.463 5 Sekundarni usedalniki Vu 27.780 3x49,30m 2.880 6 Sekundarni zgoščevalec blata Vzg 716 13,51 7 SKUPAJ 50.972 6.749 Preglednica 4: Dimenzije II. s topnje variante A, nitr i fikacija - denitr i fikacija - defosfatizacija Prostornina beton kisik Blato m3 m3 kgOC/h kgSS/d I. E T A P A 25.862 2.487 461 12.393 n . E T A P A 50.972 7.316 1.281 7.163 SKUPAJ 76.834 9.803 1.742 19.567 Preglednica 5: Povzetek objektov variante A za I. in II. etapo čist i lne naprave Tehnološki parametri Oznaka Enote Količina l Sušni dotok na C.N. Qs tV/d 40.000 2 Dotok v času dežja Qd m3/d 120.000 3 Biokemična obremenitev čn Le PE 360.000 4 Biokemična obremenitev čn L kgBPKj/d 21.600 5 Učinek čiščenja n % 95 6 Očiščeno onesnaženje A Le PE 342.000 7 Očiščeno onesnaženje AL kgBPK5/d 20.520 8 Specifična obremenitev čn Ls kgBPKj/kgSS 0,06 9 Koncentracija biol. blata X kgSS/m3 5 10 Starost biološkega blata Tbb dan 14,7 11 Indeks biološkega blata SVI 1/kgSS 100 12 Dnevna količina blata A W kgSS/d 22.810 Kg02/h 3.165 13 Poraba kisika oc Kg02/d 75.960 Preglednica 6: Obremenitev in tehnološki parametr i variante B čis tilne naprave z delno aerobno stabil izacijo blata denih reaktorjev le ca. 20 % celotne hovo izvedbo (beton 10.995m3, ze- cene čistilne naprave, stroški za nji- meljska dela ca. 50.000m3) na ca. 1 M. RISMAL: Problematika načrtovanja in izgradnje ljubljanske čistilne naprave Prostornina objektov Premer objektov Količina vgrajenega 3m m 3m 1 Skupna prostornina bioloških reaktorjev V 70.506 3x78,60m 7.548 2 Anaerobni reaktorji ze defosfatizacijo Vp -3333 3 Anoxicni reaktorji zr denitrifikacijo Vdn -30.675 4 Aerobni reaktorji za nitrifikacijo Vn -36.498 5 Sekundami usedalniki Vu 27.780 3x54,00m 3.447 6 Zgoščevalec blata Vzg 2.281 24,10m 7 SKUPAJ 100.567 10.995 Preglednica 7: D im enz ije re a k to r je v v a r ia n te B milijardo, potem cena čistilne na­ prave ne bi smela biti večja od ca. 5 milijard SIT. 2. Realnost takšne cene ca. 5 milijard SIT dokazuje primerjava s ceno takš­ ne čistilne naprave v Nemčiji [Wag­ ner, 2000] in s celjsko čistilno na­ pravo, ki je sedaj v gradnji. Po statističnih podatkih v navedenem viru stane v Nemčiji enaka naprava (360.000 enot) 43,76 milijona EUR ali 9,86 milijarde SIT. Ker pa je po vrednosti 25 % do 30 % ljubljanska naprava že zgrajena [Abwassertech­ nik, 1978], v Nemčiji pogodbena cena za dograditev te naprave ne bi bila večja od 7,4 milijarde SIT, kar je za 4,4 milijarde SIT manj od omenjene pogodbene cene 11,8 milijarde SIT. To pa ni vse. Primer celjske čistilne naprave in dru­ gi podatki pa dokazujejo, da je ob strokovnem investitorju mogoče v Slo­ veniji zgraditi enako čistilno napravo mnogo ceneje kot v Nemčiji. Celjska naprava s 85.000 enotami, ki je v gradnji, stane z DDV 9,05 milijona EUR, kar je 48 % ceneje, kot bi stala po istem viru [Wagner, 2000] v Nem­ čiji (17,4 milijona EUR). Ker gre pri obeh napravah za enako kakovost čiščenja, ni razloga, da ne bi bilo mo­ goče tudi ljubljanske čistilne napra­ ve dograditi za 48 % ceneje, kot bi stala v Nemčiji. Realna cena za dograditev čistilne na­ prave je torej: 5,13 milijarde SIT ali za celih 6,67 milijarde SIT manj od cene v podpisani pogodbi 11,8 milijarde SIT. 3. Razlika ni samo v ceni. Po v tem pris­ pevku opisanih in v prvem načrtu pred­ videnih rešitvah je mogoče čistil- n o napravo zgraditi na enkrat manjši povr­ šini. Dodatni nakup površin za čistil­ no napravo torej ne bi bil potreben. 4. Poleg nesorazmerno visoke cene je projekt neracionalen tudi v rabi pros­ tora, saj zasede projektirana naprava več kot enkrat večje površine od v tem prispevku obravnavanih rešitev. 5. Če potrjenega in mednarodno revidi­ ranega projekta prof.dr. Kolarja za pr­ vo stopnjo čistilne naprave s 70 % čiš­ čenjem pred desetimi leti ne bi zavrg­ li, bi bila naprava že pred leti zgrajena. Ljubljanica in Sava pa bi bili že več let čisti. VARIANTA "A" I. STOPNJA II. STOPNJA -► Legenda: 1. aeracija 2. naknadni usedalnik 3. reaktorji z a : DP defosfatizacijo DN denitrifikacijo N ni tri Akacijo 4. naknadni usedalniki 5. zgoščevalec H. stopnje 6. primarni zgoščevalec L st 7. gnilišče (ali hidrolizacija) 8. skundami zgoščevalec U. st 9. dehidracija blata 10. črpališče povratnega blata Slika la: V a r ia n ta A izvedbe č is t i ln e naprave M. RISMAL: Problematika načrtovanja in izgradnje ljubljanske čistilne naprave Prostornina reaktorjev Prostornina betona m3 Poraba kisika v OC kg02/h Proizvodnja blato kgSS/d VARIANTA I. 76.834 9.809 1.742 23.310 VARIANTAH 100.567 10.995 3.165 22.810 Preglednica 8: K arak te ris tičn i param etri varian te A in varian te B V A RIA N TA "B " Legenda: 1 razdelilec dotoka 2 reaktoiji DP defosfatizacija D N denitrifikacija N nitrifikacija 3 naknadni usedalnik 4 črpališče povratnega blata 5 zgoščevalec 6 dehidracija LITER ATU R A Abwassertechnik, Band III, stran 647-659, 1978, Boenke, B., Vassiliki, Brautlet, P, Leistungs und Kostenvergleich fuer ein - und zweistufige Be lebungsverfahren, Korespon- denz Abwasser (45) Nr.9, 1999, Colin,ORJ., Newman, Y.J., Puolanne, Recent developm ents in sewage sludge processing, Com m ission of the European Communities, the National Board of Waters and the Environment, Helsinki, F. Elsevier Applied Science, 1991. Gamperer, I , Sewage Treatment&Reuse, Enhanced 2-stage activated sludge, W orld Water, Volume 20 Issue 3 ,1 9 9 7 , Imhotf, Taschenbuch der Staedtentwaesserung, 29. izdaja, stran 195, slika 5 ,4 8 ,1 9 9 9 . IZH- FAGG, št.D -161, Poročilo o rezultatih preizkusa čiščenja odpadnih vod Ljubljane na p ilo tsk i č is tili napravi, 1989. IZH-FAGG Poročilo o poteku raziskovalne naloge za uporabo filtrskega pepela na Č.N. L ju b lja n e ,, št.116 D /2 2 2 -2 3 ,1990. Janssen, RM.J., van der Roest, H.F., Eggers, E., The Carrousel and the Carrousel-2000 systems: a qurantee for total nutrient removal, European Water Pollution Control, Volume Nr.2. str. 1 0 ,1 9 9 6 . Oake, R., Sludge disposal - the options, Thames Water U tilities Limeited, 1991. Slokar, M., Vodopivec R „ Idejn i projekt: Prim erja lna Š tud ija č iščen ja kom unalnih indus trijsk ih odplak mesta L jub ljane, H idroinženiring, 1990. Stanley Consultants, W aterand Wastewater - Ljubljana, Slovenia Environmental Project, Feasibility study, Volume 8 ,1 9 9 3 . Wagner, W., S tellenwert der Nutzungsdauer von Abwasseranlagen unter Kostengesichtspunkten, Wasserwirtschaft Abwasser Abfall 47. Jahrgang, Nr.7., stran 1036, 2000. T. NOVLJAN: Možnosti izboljšave ambienta za večjo varnost v dolgih cestnih predorih MOŽNOSTI IZBOLJŠAVE AM­ BIENTA ZA VEČJO VARNOST V DOLGIH CESTNIH PREDORIH IMPROVEMENTS OF THE AMBIENCE FOR ACHIEVING GREATER SAFETY IN LONG ROAD TUNNELS STROKOVNII ČLANEK UDK 624.195 : 625.746 : 725.95 TOMAŽ NOVLJAN P O V Z E T E K G radn ja p re do ro v ve lja za eno n a js ta re jš ih panog gradbeništva. Prvi predori kot prom etni objekti so bili izkopani že v starem veku. Znan je predor pod reko Evfrat v Mezopotamiji [danes Irak). Zaznavanje podzemnega prostora je bilo vedno vtkano v kontekst raznih verovanj, pri katerih je navadno predstavljal negativno, imaginarno komponento. Z razvojem znanosti je imaginacijo zamenjala racionalnost potencialnih nevarnosti fiziološkega in psihološkega značaja, ki se lahko zaradi individualnosti uporabe izraža tudi v dolgih cestnih predorih. Monotono dolgotrajno ponavljanje enakih elementov cestne opreme bodisi kot svetlobnih učinkov ali barvnih ploskev lahko povzroči tako imenovani stroboskopski učinek, neke vrs te trans, ki pri vozniku zmanjšuje pozornost do dogajanja v njegovi okolici in/ali občutek dezorientacije in/ali u tesn jenosti. Tako psihološko stanje ima lahko v primerih, ko je potrebna h itra in racionalna reakcija na potencialno nevarno prometno situacijo izrazito negativno vlogo. Kot a lternativa že izvedenim korekcijskim posegom v ambientih nekaterih evropskih cestnih predorov bo podan predlog vizualne izboljšave longitudinalno orientiranega podzemnega prostora. Z uporabo principov frakta lne geom etrije bodo naravni vzorci eks te rie ra s pomočjo razsvetljave in/ali poslikave transform iran i v abstraktne grafične zapise geometrijskih ritm ov v " in te rie ru ” predora, kar naj bi udeleženec v prometu zaznaval predvsem s t. i. perifernim vidom. S U M M A R Y The construction of tunnels counts as one of the oldest branches of civil engineering. The f irs t tunnels as tra ffic s tru c tu re s were excavated already in antiquity. Well-known is the tunnel under the river Euphrates in Iraq. The perception of underground space has always been entwined into a context of various beliefs, representing in it a negati­ ve, imaginary element. W ith the development of science, imagination is replaced by the rational understanding of potential dangers of physiological and psychological nature, which because of the individuality of users are possibly most clearly manifested in long road tunnels. Monotonous pro tracted repetition of the same elements of road equipment, w he the r as lig h t e ffe c ts o r as solid co lour su rfaces, may cause th e so-called stroboscopic effect, a s ta te of trance, causing the driver to be less a tten tive to what is happening in its surroundings, as well as a feeling of d isorientation and/or oppression. Such a psychological condition may play a decidedly negative role a t tim es when a quick and rational reaction to a potentia lly dangerous tra ff ic s ituation is required. As an T, NOVLJAN: Možnosti izboljšave ambienta za večjo varnost v dolgih cestnih predorih alternative to corrective interventions, already applied in the environment of some European road tunnels, th is paper offers a proposal fo r the visual improvement of longitudinally oriented underground space, w ith the application of the principles of fracta l geometry. These transform the natural pa tte rns of the exterior w ith the help of lighting and/or painting into abs trac t graphic records of geometrical rhythms in the »interior« of the tunnel, which the tra ffic partic ipant perceives mainly through the so- called peripheral vision. Avtor: dr. Tomaž Novljan, u.d.i.a., Univerza v Ljubljani, Fakulteta za arhitekturo, Ljubljana. Država Predor Dolžina v m Norveška Laerdal 24 510 Švica St. Gothard 16 918 Avstrija Arlberg 13 972 Kitajska Pinglin (v gradnji) 12 900 Francija-ltalija Frejus 12 895 Francija-ltalija Mont-Blanc 11 660 Norveška Gudvanga 11 428 Norveška Folgefonn 11 130 Japonska Kan-etsu (južna cev) 11 055 Japonska Kan-etsu (severna cev) 10 926 Japonska Hida (v gradnji) 10 750 Italija Gran Sasso d'ltalia (vzhod) 10 176 Italija Gran Sasso d'ltalia (zahod) 10 173 Francija Le tunnel Est (v gradnji) 10 000 Slovenija-Avstrija Karavanke 7 864 Preglednica 1: Najdaljši cestn i predori [T.Novljan, 2001], UVOD Gradnjo predorov je zagotovo mogoče šteti kot eno najstarejših panog gradbe­ ništva. Začetki gradnje predorov ne izvi­ rajo iz transportnih potreb, temveč iz ru­ darstva, pogrebnih cerem onialov in pre­ skrbe z vodo. Najstarejše znano inženirs­ ko delo, nam enjeno (peš) prom etu, je predor, izkopan pod reko Evfrat v Babilo­ nu za časa kralja Nebukadnezarja; iz Evro­ pe pa je znan predor, imenovan Grotta Posillip i, v Neaplju v Ita liji. Predori, ne le cestni, že od nekdaj ve lja jo kot element kvalite tne jšega potovanja tam, kjer je konfiguracija terena za pot po površini prezahtevna ali kot b ližn jica med dvema točkama na površin i zem lje . Zato ni naključje, da je b il prvi cestni predor v Evropi zgrajen oziroma izkopan leta 1707 v Alpah, ki so predstavljale glavno oviro prometnih tokov takratne Evrope. Nasle­ dnji predor je bil izkopan šele skoraj 100 let kasneje, leta 1805 na cesti proti pre­ lazu S im plon. Razvoju prometnega omrežja v 19. sto letju je s led ila gradnja predvsem železniških, v začetku 20. sto­ letja pa tudi cestnih predorov. Danes im ajo cestni predori, nekateri m erijo v do lž ino tudi več kot 10 km, funkcijo primarne povezave glavnih pro­ metnih vozlišč tako za osebni kot tudi za tovorni promet. Izvedba sodobnega cestnega predora pre­ dstavlja skupek pasivnih in aktivnih ukre­ pov, ki naj bi pri uporabi om ogočili čim boljši pretok prometa ter č im večjo var­ nost glede na potencialne nevarnosti. Te so specifične za podzemne ambiente, ki so prostorsko om ejeni predvsem glede možnosti pobega v primeru požara, vdo­ ra vode, eksplozije , prom etne nesreče (lahko povzroči vse našteto). Zato ve lja pri oprem i predorskega prostora enaka pozornost tako prom etnim oznakam na in ob cestišču kot tudi oznakam in napravam za primer nuje: alarmna stikala, te lefoni, te lev iz ijske kamere, varnostne svetilke, izogibališča, zasiln i izhodi, gasiln i apa­ rati, protipožarni sistem i. Psihološka obremenitev uporabnikov do l­ gih predorov (predvsem tis tih za vo la ­ nom) tem elji na predpostavki človekove­ ga odnosa do podzemnih prostorov. Poj­ movanje podzemlja je bilo tako pri vzho­ dnih kot zahodnih starih kulturah poveza­ no z d o m iš ljijo , praznoverjem in sm rtjo (starogrški Had, kjer prebivajo mrtvi, k i­ tajski p rinc ip jin in jang, k jer ženski jin s im bo liz ira skrivnostnost zem lje, afriški Wata, ki vlada podzemlju ipd.). Naslednji vzrok za nelagodje v podzemnem prostoru je zaprtost in s tem pom anjkanje možnosti orientacije. Človek je v zgodo­ vin i na površju vedno znal poiskati do­ ločene naravne ali grajene točke kot kon­ stante (nebesna telesa, morfološke dom i­ nante ipd), po katerih se je lahko zane­ s ljivo o rien tira l in d o lo č il svoj položaj. Strah pred zaprtim i prostori (klavstrofo­ b ija ) predstavlja za nekatere uporabnike v predoru dodatno obrem enitev. Velik problem predstavlja tudi slabo prezrače­ vanje predorske cevi, ki ima na psiho f i­ zično stanje uporabnikov še dodaten vpliv. VPLIVI NA VARNOST V DOLGIH CESTNIH PREDORIH Največjo nevarnost za uporabnike predo­ rov, ne le cestn ih, predstavlja izbruh požara in posledično nastajanje dima ter strupenih plinov. Stopnja nevarnosti je se- T. NOVLJAN: Možnosti izboljšave ambienta za večjo varnost v dolgih cestnih predorih veda odvisna od več dejavnikov, kot npr. časa izbruha, mesta izbruha, smeri širitve za­ dušljivih plinov, vzroka izbruha, količina in vrs­ ta snovi, ki gori, vzdrževanosti varnostnih nap­ rav ipd. - tesnoba in prevelika napetost lahko prive­ de do pretirane in nepravilne reakcije, tudi panike v primeru izredne situacije, - stroboskopski učinek lahko privede do neke vrste transa = nesposobnosti za pravočasno odreagiranje v izredni s itu a c iji. Tehnične varnostne ukrepe v cestnih predorih je glede na vizualno percepcijo mogoče razde­ liti na dve glavni skupini: - preventivne, med katere sodijo: kakovost osvetlitve, različna jakost osvetlitve (na začetku oz. koncu predora, v osrednjem delu, ponoči, podnevi), kakovostna obdelava voznih in osta­ lih površin, vidnost cestnoprometne in varno­ stne signalizacije, vidnost naprav in napeljav, ki se uporabijo v primeru nuje ipd. - kurativne, med katere sodijo vsi tehnični ukrepi in brezhibno delujoče naprave, napelja­ ve in prostori, ki se v primeru nuje dejansko uporabijo. POIZKUSI ZA IZBOLJŠANJE AMBIEN­ TA V PREDORU V sm islu prom etnovarnostne preventive prometa v predoru je b ilo v zadnjih nekaj letih (predvsem po nesreči v predoru Mt. Blanc) storjenega že marsikaj, še pose­ bej v sm is lu tehn ičn ih izboljšav. Poleg tehničnih t. i. "trd ih ” ukrepov pa obstaja tudi možnost uporabe t. i. “ m ehkih” ukre­ pov, ki lahko pozitivno vp liva jo na pod­ zavest uporabnikov predora med ali že pred uporabo: - predhodne inform acije o samem predo­ ru (največja dopustna h itrost, dolžina, čas vožnje, podatki o gradnji, morebitne z a n im iv o s ti, ... - informacije “hic et nune” (temperatura, vidlji­ vost, že prevožena razdalja, preostala razdalja,...) S lik a l: Predor na ce s ti p ro ti prelazu Simplon. - interni radijski kanal s pom irju jočo gla­ sbo in prom etnim i in form acijam i, inter­ ni GPS, ... - uporaba barvnih pigmentov in /a li barv­ ne svetlobe na stenah ali stropu predora, ki a rtiku lira jo tehnično čiste, a pogosto monotone ploskve in ritme V državah, kjer je cestnih predorov veliko in je s tem tudi potencialna nevarnost nesreč v predoru velika, so bile napra­ vljene štud ije in že izvedeni nekateri ko­ rekcijski posegi, ki naj bi interier predo­ ra napravili likovno kakovostnejši, zani­ m ive jš i in (s tem ) tudi bo lj varen. Med najbolj znanim i so francoski in norveški pro jekti in izvedbe. Tem eljijo predvsem na uporabi dveh glavnih nosilcev plosko­ vne likovne govorice: barvnih pigmentov in barvnih svetlob. V nekaterih primerih je bil uporabljen tudi relief. V predoru La Defence v Parizu je uporabljena enostavna črno-rumeno progasta poslika­ va pločnikov, ki se nadaljuje na obeh sten­ skih ploskvah. Študija vpliva progastih in podobnih vzorcev, ki je bila izdelana na University of Minnesota, ZDA, je dokazala, da vertikalno poudarjeni vzorci nudijo voz- T. NOVLJAN: Možnosti izboljšave ambienta za večjo varnost v dolgih cestnih predorih Leto, dan ime «n dolžina predora Lokacija, država Vozilo, kjer je požar nastal Najverjetnejši vzrok požara 1949 Holland 2 550 m New York ZDA tovornjak, naložen z 11t ogljikovega disulfida padec tovora s tovornjaka in eksplozija 1974 Mont Blanc 11 600 m meja Franci ja—Italija tovornjak motor 1976 križišče BP-A6 430 m Pariz Francija tovornjak, naložen s 16t poliesterskega filma v velika hitrost 1978 Velsen 770 m Velsen Nizozemska štirje tovonjaki dve osebni vozili verižno trčenje 1979 Nihonzaka 2 045 m Šitzuoka Japonska štirje tovonjaki dve osebni vozili verižno trčenje 1980 Kajiwara 740 m Japonska tovornjak, naložen s 3600I barve trčenje v steno predora in prevrnitev 1982 Caldecott 1 028m Oakland ZDA osebno vozilo, avtobus in verižno trčenje 1983 morila Galleria 662 m Genes Savone italija tovornjak, naložen z ribami verižno trčenje 1986 L'Arme 1 105 m Nica Francija tovornjak s prikolico zaviranje pri veliki hitrosti 1987 Gumefens 343 m Bern Švica tovornjak verižno trčenje 1990 Roldal 4 656 m Roldal Norveška VW kombi s prikolico 1990 Mont Blanc 11 600 m meja Francija—Italija tovornjak, naložen z 20t bombaža motor 1993 Serra Ripoli 442 m Bolonja Italija osebni avtomobil in tovornjak, naložen s svitki trčenje 1993 Hovden 1 290 m Hoyanger Norveška motorno kolo in dva osebna avtomobila verižno trčenje 1994 Huguenot 3 914 m Južna Afrika avtobus s 45 potniki okvara na električni napeljavi 1995 10. apr Pfänder 6 719 m Avstrija tovornjak s prikolico trčenje 1996 18. mar Trota delle Femmine Palermo Italija tovornjak-cisterna s utekočinjenim plinom in verižnno trčenje 1999 24. mar Mont Blanc 11 600 m meja Francija-ltalija tovornjak, natovorjen z margarino in moko puščanje nafte, motor 1999 29. maj Tauern 6 401 m A10 Salzburg-Spittal Avstrija tovornjak, naložen z barvo verižno trčenje štirih osebnih avtomobilov in 2000 14. jul Seljestad 1 272 m E134 Drammen- Haugesund Norveška ogenj se je vnel na enem od osebnih avtomobilov in se razširil na vozila v bližini verižno trčenje petih osebnih avtomobilov in dveh tovornjakov s prikolico 2001 Prapontin A32 Torino-Bardonecchia 28. maj 4 409 m Italija 2001 6. avg Gleinalm 8 320 m A9 Graz Avstrija osebni avtomobil čelno trčenje tovornjaka in osebnega avtomobila 2001 24. okt St. Gotthard 16 918 m A2 Švica tovornjak Preglednica 2: N ajpogoste jš i vzroki prom etnih nesreč v predorih [ h ttp ://hom e.no . ne t/lo tsberg /li nk_2.htm l]. Slika 2: Prenovljen am bient predora M t. Blanc. [ h ttp :/ /w w w .a tm b . n e t/c d ro m /p re v _ e t_ s e c u /h tm l/d e te c t. h tm l niku informacijo o trenutni hitrosti in ukri­ vljenosti predora, horizontalno poudarjeni vzorci pa o vzdolžnem nagibu ceste. Kon­ trastno pobarvani vertikalni pasovi na ste­ nah so b ili uporabljeni tudi kot element umirjanja hitrosti vozil, predvsem na uvozu v predorsko cev, saj se v nasprotnem pri­ meru (velike hitrosti) tak vzorec perceptiv- no odraža v nelagodnem občutku mimo vo­ zečega uporabnika. Tovrstna aplikacija je bila izvedena leta 1976 v predoru Saint Claud v bližini Pariza. Barvne ploskve so bile uporabljene tudi za označevanje obm očij varnostnih naprav (gasilnih aparatov, zasi­ lnih izhodov ipd.) ter za označevanje prevožene in preostale dolžine predora, kot neke vrste obcestni kamni. Poskusi dodat­ ne izboljšave predorskega interiera so bili napravljeni z uporabo različnih likovnih motivov, ki so velikokrat spom injali na značilnosti površja (v geomorfnem, zoo- morfnem, fitomorfnem pogledu). Znan je francoski primer dvocevnega predora Pra- do-Carenage pri mestu Marseilles. Motivi poslikave stene cevi, ki vodi proti obali, so “ m orski” , v modrih in sivo belih tonih, medtem ko v sosednji cevi prevladujejo “ ce linsk i” motivi v odtenkih zelene barve. Ob gradnji 25 km dolgega cestnega pre­ dora Laerdal na Norveškem je posebna stro­ kovna skupina SINTEF oblikovala lestvico vplivov na ugodnost oziroma neugodnost počutja v dolgem cestnem predoru. S tem v zvezi je bila organizirana tudi t. i. delav­ nica, na kateri so sodelovali poleg arhitek­ tov tudi strokovnjaki za osvetljevanje in dramski svetovalci. Ugotovljeno je bilo, da so svetloba, velikost prostora in dobra prezračevanost vodilni atributi, ki sovpli- vajo na psiho uporabnika predora. Med sle­ dn jim i je bila svetloba opredeljena kot najpomembnejša, saj je z njeno pomočjo mogoče doseči različne iluzionistične učinke - od običajne osvetlitve zasilnega izhoda do optične povečave notranjega prostora. Na 2. mes-tu je bila možnost orientacije v predoru, medtem ko so, po ugotovitvah omenjenega seminarja, likov­ na dekoracija, estetika in prijetnost dokaj na dnu lestvice. Za večjo hum anizacijo predorskega prostora so b ili om enjeni celo hortiku ltu rn i posegi. T. NOVLJANI: Možnosti izboljšave ambienta za večjo varnost v dolgih cestnih predorih Pretirana uporaba močnih barv, vzorcev, m otivov in reliefov lahko privede tudi do obratnega učinka od željenega, kar po­ meni, da lahko preveč odvrača pozornost udeležencev v prometu od dogajanja na cestišču. Likovne intervencije, ki se upo­ rab lja jo na slepih fasadnih stenah hiš v mestnih am bientih, bi b ile v omejenem podzemnem prostori preagresivne, upoš­ tevati pa je treba tudi dejstva črtne in barvne perspektive, ki tem e ljijo na pred­ postavki natančno določene fiksne raz­ dalje med opazovalcem in opazovano ploskvijo , kar zaradi specifičnosti upora­ be predorskih objektov (gibanje uporab­ nikov in potencia ln ih opazovalcev) ni mogoče. Skrajni prim er pri oblikovanju predorskih ambientov predstavlja uporaba ve lik ih reklam nih panojev, ki bi b ila za upravljalce predorov tržno zanimiva, ven­ dar s stališča prometne varnosti danda­ nes nesprejem ljiva. Namen mehkega, “ naključnega” geome­ trijskega ritm a, grafično apliciranega na stenah in stropu predora, je vzbujati po­ zornost voznika preko t.i. perifernega vida v to lik š n i m eri, da k ljub op tičn im dražljajem z leve in desne strani še ved­ no lahko zbrano s led i dogajanju na ce­ stišču. PERIFERNI VID Izraz periferni vid označuje sposobnost zaznavanja v b liž in i robov vidnega polja očesa. V pretekli človeški zgodovini je bil periferni vid bistveno bo lj v uporabi kot danes. Človek je b il lovec in vojak, bolje kot dandanes je znal izkoriščati svoja čutila, tudi vid. Periferni vid mu je om o­ gočal, da je “ s kotičkom oč i" sim ultano z dogajanjem pred seboj, na katerega se je osredo toč il (npr. pri lovu), sprem lja l tudi dogajanje levo in desno poleg sebe. Vizualna zaznava povprečnega opazoval­ ca je danes osredotočena predvsem na Slika 4: N o tra n jos t predora Laerdal, Norveška, [h ttp :// w w w .a fte n p o s te n .n o /n yh e te r/ir ik s /d 1 76880.htm] branje znakov, ki so frontalno pred njim . Branje tekstovnega zapisa, še bolj pa cestnoprometnih znakov ter podatkov, ki jih posreduje jo različne ploskve (angl. display), so tip ič n i prim eri linearno usmerjenega zaznavanja. Sposobnost perifernega zaznavanja pri povprečnem človeku še vedno obstaja, le da ni tako eksistencia lno stim ulirana kot je bila pri naših prednikih. Izjema so nekateri pok lic i, npr. p ilo tsk i, kjer je ta sposobnost še vedno obravnavana kot ena od pom em bnejših. V nekaterih špor­ tih je periferna zaznava včasih še pomem­ bnejša kot osredotočena ( t. i. zan-šin pri boriln ih veščinah Dalnjega vzhoda). Med popularn im i način i perifernega zazna­ vanja je potrebno om eniti tudi branje, sicer 2D grafičnih zapisov, generiranih v stereogramski tehnik i, ki opazovalcu s i­ m ulira jo 3D prostor. Vsekakor je sposob­ nost periferne zaznave pri vožnji v ce­ stnem prometu pomembna, saj brez pre­ tiranega obračanja glave in oči omogoča vizualno obvladovanje prostorav zornem kotu, ki je blizu 180 stopin j. Način peri­ ferne percepcije , t. i. m ed itac ijo med vožnjo, delo Peace is every step [Nhat Hanh, 1992] obravnava kot pot, po kate­ ri nekdo potuje (vozi), ne le kot linearno nizanje dogodkov, ki je usmerjeno zgolj k enemu c ilju - kraju, kamor je namenjen - temveč kot skupek mnogoterih zaznav. Te podzavestno soob liku je jo razpoloženje in vp liva jo na psiho loško stanje posa­ meznega voznika in posredno tudi na var­ nost vseh udeležencev v prometu. UPO RABA FR AKTALN EG A RITM A Kot a lternativo pri ob likovan ju interiera predora je m ogoče izrabiti grafične ap likacije geom etrijsko transform iranih naravnih ritm ov, izv ira joč ih iz različn ih karakterističnih m orfo loških lastnosti te­ rena, zaznavnih s ceste, v neposredni ali posredni b liž in i vhoda v predor: - ritem poudarjeno vertikalnih lin ij dre­ vesnih debel T. NOVLJAN: Možnosti izboljšave ambienta za večjo varnost v dolgih cestnih predorih - krivulja, ki jo tvori rob drevesnih kro­ šenj a li ska ln ih m asivov na nebes­ nem ozadju - krivulje, ki jih ustvarjajo gozdni robo­ vi - krivulje, ki jih ustvarjajo bregovi med vodo in kopnim . Za izbrano izmed naštetih naravnih oblik je potrebno najprej ustvariti dvodimenzio­ nalno projekcijo - dvodimenzionalno kri­ vuljo, ki je lahko posneta po fotografiji ali po geodetskih koordinatah izbranega te­ rena. To predstavlja osnovo za izračun frak­ talnega števila, to je števila, katerega vre­ dnost za krivulje znaša med 1.0 in 2.0. Fraktalno število določa stopnjo zanim i­ vosti izbrane krivulje. Najprimernejše vre­ dnosti so od 1.2 od 1.7. Za določitev frak­ talnega števila se uporabi t. i. metoda šte­ vnih polj, ki na podlagi na izbrano krivuljo superponiranih mrež vsaj dveh velikostnih razredov beleži število po lj, ki vsebujejo delček krivulje [Bovill, 1996], Logaritm i­ ranje razlike vrednosti ulomka med redkej­ šo in gostejšo mrežo rezultira v številu, ki je osnova za nadaljevanje postopka s po­ močjo t. i. Van der Laanove lestvice. Ta je sestavljena iz osmih osnovnih različno ve­ likih, med seboj kom ponib iln ih elem en­ tov z vrednostmi: 1.0, 1.25, 1.75, 2.25, 3.0, 4.0, 5.25, 7.0 [Van der Laan, 1983], Omenjena krivulja, ki naj ima fraktalno vrednost 1.3, je zaradi boljše grafične ponazoritve stopničasto transform irana, tako da lahko obsega v vertikalni smeri po­ zitivne in negativne vrednosti. Za izbrani segment v horizontalni smeri je tako mo­ goče do ločiti posamezne elemente Van der Laanove lestvice s p ripada joč im i, že naštetimi absolutnim i vrednostmi. Te vre­ dnosti je mogoče vnesti kot razdalje med poljubno izbranim i likovnim i elementi (npr. okenske odprtine na fasadi). Namen je členitev prazne ploskve ali “ razb itje ” monotonije ponavlja jočih se enakih ele­ mentov. REZULTAT V primeru modela, za katerega je služil profil karavanškega predora, sta bila izbrana Slika 5: Transform acija naravne oblike v geom etrijsk i r item s pomočjo frakta lnega števila in Van der Laanove lestv ice [T. Novljan, 20001. dva načina aplikacije: - aplikacija kot osvetlitev luči enake bar­ ve, vendar z elementi v različnih razmakih, kar se lahko reflektira kot direktna ali kot indirektna svetloba/senca. Razsvetljava bi bila uporabljena kot svetlobna nadgradnja obstoječi generalni osvetlitv i. - kot likovna intervencija z uporabo nea­ gresivnih vzorcev (vertikalnih pasov na stenah predora ali (lahko tudi izbočenih) na vozišču, ki pa ne smejo biti v navzkrižju z ostalimi prometnim i oznakami. Predno­ sti: enostavnost in cenenost izvedbe in vzdrževanja, vizualna privlačnost za upo­ rabnike ne bi b ila premočna, izvedba je možna pri novogradnji ali kot naknadna likovna intervencija. Predor bi imel svojo črtno kodo, ki bi v prihodnji, vedno večji tehnični perfekciji in un ific iranosti lahko pom enila njegovo lokalno karakteristiko. PREDLOG PRAKTIČNEGA PREIZKUSA Norveškem). Poizkus bi te m e ljil na pre­ dpostavki, da se pozornost voznika za do­ gajanje pred vozilom v dolgem cestnem predoru: - pri velikokratnem ponavljanju enakih elementov na enaki m edsebojni razdalji zmanjša, reakcijski čas pa podaljša, - pri ponavljanju sicer enakih elementov na različn ih razdaljah pa pozornost voz­ nika ostane. Hkrati se pojavijo še nekateri s tem pove­ zani problem i: - izvedba aplikacije s svetlobo in z ver­ tika ln im i pasovi, - vzdrževanje ustrezne vidnosti likovnih elementov, - oblikovanje prehodov med zunanjostjo in notranjostjo (svetloba/tem a). Podobno kot pri p re izkusih, ki so b ili izve­ deni pri Transportation Research Center Inc., ZDA, bi vozniki med s im ulirano vožnjo skozi predor opravili različne na­ loge in b ili izpostavljeni različn im situa­ c ijam , pri čemer bi b ili izm erjeni njihovi odzivni časi [Tijerina, Parmer, Goodman, 1998], Pred uporabo bi b ilo potrebno praktični učinek teoretičnega koncepta preizkusiti S K L E P s pom očjo profesionalnega sim ula torja vožnje skozi predor (kot ga imajo npr. na Grafične korekcije na prom etnih ob jek- T. NOVLJAN: Možnosti izboljšave ambienta za večjo varnost v dolgih cestnih predorih Slika 6: Uporaba v in te rie ru predora - z vertika ln im i trakovi (d ig ita ln i model: K. Tavčar, 2001) Slika 7: Uporaba v in te rie ru predora - z ra z v rs titv ijo svetilk (d ig ita ln i model: K. Tavčar, 2001 ) tih niso nobena novost. Polaganje belih pasov na vozno površino ceste, prečno na smer vožnje, je eden od načinov um i­ rjanja hitrosti vožnje, ki je v uporabi tudi pri nas. Pasovi so izdelani bodisi v oblik i dvodimenzionalnega barvnega nanosa, ki je zaznaven le vizualno, bodisi v ob lik i reliefnega nanosa, ki ga voznik zazna kot zvok in hkrati kot rahel udarec ali v ib ra ­ c ijo . Omenjena načina sta namenjena zm anjševanju h itros ti vožnje in nimata neposredne zveze z obravnavanim nači­ nom, ki ustvari faktalen ritem vizualnih dražlja jev “ s s tran i” , tj. z roba vozniko­ vega vidnega polja . Glavni namen teh dražljajev ni zmanjševanje hitrosti v pre­ doru, temveč podzavestna “ zaposlitev” voznikovih možganov kot obramba pred negativn im i posled icam i t. i. s trobo­ skopskega učinka. Človekova podzavest vsebuje vtise naravnih ob lik in ritm ov, ki so se tam “ na laga li” tisočle tja . Nekatere oblike prepoznava kot manj, druge kot bolj prijazne. V prim erih oblikovanja po­ dzemnih prostorov s posebnim i zahteva­ mi in hkrati za m nožično uporabo, kar predori zagotovo so, je za vzpostavitev kakovostnejšega okolja marsikdaj potreb­ na le enostavna grafična korekcija. Frak­ talna geom etrija om ogoča prav to. L ITER ATU R A B ovill, C.: Fractal Geometry in Architecture and Design, Birkhäuser, Boston, 1996. Nhat Hanh, I : Peace Is Every Step, Bantam Books, New York, 1992. Novljan, T.: Fraktalno v arhitekturi - struktura, tekstura in barva (doktorska d isertac ija ), Univerza v L jub ljan i, Fakulteta za arhitekturo, Ljubljana, 2000. Perard, M.: Interior architectural treatement of road tunnels in France, Centre d ’Etudes des Tunnels, 1998. Saari, K. (ur.): The rock alternative engineering, F innish Tunnelling Association, Jyvaskyla, 1988. Saitz, H.H .: Tunnel der Welt - Welt der Tunnel, Transpress, Berlin, 1988. Trstenjak, A.: Človek in barve, Dopisna delavska univerza Univerzum, Ljubljana, 1978. Van del Laan, D.H.: Architectonic space, E .J.B rill, Leiden, 1983. h ttp ://w w w .a tm b.ne t/cd rom /p rev_e t_secu /h tm l/f_ index.h tm h ttp ://w w w .n tnu.nO /gem in i/1998-01 E /20.htm l h ttp ://h o m e .n o .n e t/lo tsb e rg /lin k_ 2 .h tm l C en ik o g la so v re v ije G R A D BE N I VES N IK 1/1 165 X 245 mm 2/3 108 X 223 mm 1/2 165 X 115 mm NAVODILA ZA ODDAJO OGLASA □ g la s lahko o d d a te ko t : - r a s t r s k i f o r m a t JP E G , TIFF, EPS - CDR Cver 8 . 0 ali m an j ] , p r i č e m e r je p o t r e b n o vse č rk e s p r e m e n i t i v k r ivu lje V s e b in e je m o g o č e p o s la t i z re d n o p o š to [d is k e ta ] ali po E -p o š t i na nas le dn ja nas lova: g radb . zveza@ sio l. n e t jt-.H rn h p r t rg )q in l n p t__________ ______ 1/4 165 X 60 mm 1/3 52 X 223 mm Gradbeni vsetnik je strokovno znanstvena revija, s katero pred­ stavljamo slovenski in tu ji stro­ kovni javnosti dosežke z vseh področij gradbeništva. Revija je tudi člansko glasilo Zveze grad­ benih inženirjev in tehnikov Slo­ venije ter Matične sekcije grad- benih inženirjev pri Inženirski zbornici Slovenije. Revija izhaja mesečno v nakladi 2750 izvodov. Med naročniki je tudi 52 naslovov iz tujine; z neka­ terim i tu jim i naslovi pa si revijo izmenjujemo. Leta 2001 smo skromno obele­ žili 50 letnico neprekinjenega izhajanja in si želimo, da bi se slovensko gradbeništvo z revijo ponašalo tudi v prihodnosti, ko bo z širjenjem globalizacije na veliki preizkušnji naša strokovna in nacionalna zavest. Če bomo sodelovali, bomo ohranili svojo prestižno, v slovenskem jeziku pisano revijo, ki nas bo povezo­ vala, nas izobraževala, preko ka­ tere bomo lahko komunicirali s kolegi v domovini in tu jin i, se spoznavali in merili med seboj v znanju. Bodočnost Gradbenega vestnika je odvisna od nas, zato Vas va­ bimo k pisanju člankov, v družbo naročnikov in k prispevanju rek­ lamnih oglasov. Uredništvo Za re k la m n e o g la s e se p r ip o r o č a m o po n a s le d n je m cen iku : Ovitek: zadnja stran 1/1 (165 x 245 mm) 200.000,00 SIT + DDV Notranja stran 1/1 [165 x 245 mm) 150.000,00 SIT + DDV N. S. 2/3(108x233 mm) 130.000,00 SIT + DDV N.S. 1/2 (165x115 mm) 100.000,00 SIT + DDV N.S. 1/3(52x233 mm) 75.000,00 SIT + DDV N.S. 1/4(165x60 mm) 40.000,00 SIT + DDV PRIPRAVLJALNI SEMINARJI ZA STROKOVNI IZPIT V GRADBENIŠTVU, ARHITEKTURI IN KRAJINSKI ARHITEKTURI V LETU 2002 MESEC SEMINAR IZPITI GRADBENIKI ARHITEKTI KRAJINARJI September 23.-27. Oktober 21.-25. pisni: 26,10. November 18.-22. ustni:4. -7.11. pisni: 23.11. pisni: 9.11. ustni: 18.-21.11. December 16.-20. ustni: 2,- 5.12. A. PRIPRAVLJALNE SEMINARJE organ iz ira Zveza društev gradbenih inženirjev in tehnikov Slovenije (ZDGITS), Karlovška 3, 1000 Ljubljana (telefon/fax: 01 / 422-46-22), E-mail: gradb.zveza@ siol.net Seminar za GRADBENIKE poteka 5 dni (46 ur) in pripravlja kandidate za splošni in posebni del strokovnega izpita, Cena seminarja znaša 90.000,00 SIT z DDV. Seminar za ARHITEKTE IN KRAJINSKE ARHITEKTE poteka (prve) 3 dni in jih pripravlja za splošni del strokovnega izpita. Cena seminarja je 45.600,00 SIT z DDV. K sem inarju vabim o tudi kandidate, ki so že opravili strokovni izpit po določeni stopnji izobrazbe, pa so si pridobili višjo in morajo opravljati dopoln iln i strokovni izpit. Ponujamo jim predavanje iz področja “ Investicijski procesi in vodenje projektov” . Cena predavanja in literature je 12.600,00 SIT z DDV. S em inar ni obvezen! Izvedba sem inarja je odv isna od števila prijav (najm anj 20 kandidatov). Udeleženca prijavi k seminarju plačnik (podjetje, družba, ustanova, sam udeleženec ...). Prijavo v obliki dopisa je potrebno poslati organizatorju najkasneje 20 dni pred pričetkom določenega seminarja. Prijava m ora vsebovati: priimek, ime, poklic (zadnja pridobljena izobrazba), in naslov prijavljenega kandidata ter naslov in davčno številko plačnika. Samoplačnik mora k prijavi priložiti kopijo dokazila o plačilu. Poslovni račun ZDGITS je 0 2 0 1 7 -0 0 1 5 3 9 8 9 5 5 ; davčna številka 7 9 7 4 8 7 6 7 . B. STROKOVNI IZPITI po teka jo pri Inženirski zbornici Slovenije (IZS), D una jska 104, 1000 Ljubljana. Informacije je m ogoče dobiti pri Ge. Terezi Rebernik od 10.00 do 12.00 ure, po telefonu 01 / 568-52-76. #