Beton, będąc niezwykle uniwersalnym materiałem, znajdującym zastosowanie w budownictwie naziemnym i drogowym, jest oczywiście nie od dziś używany również w kanalizacji.
Obecnie zakłady prefabrykacji, dysponujące odpowiednim zapleczem technicznym, zdolne są produkować elementy betonowe odpowiadające wysokim wymaganiom stawianym w normach technicznych. Dla prefabrykatów stosowanych w kanalizacji, tj. studzienek kanalizacyjnych i rur, zharmonizowane normy europejskie, odpowiednio PNEN 1917:2004 „Studzienki włazowe i nie włazowe z betonu niezbrojonego, betonu zbrojonego włóknem stalowym i żelbetowe” i PNEN 1916:2005 „Rury i kształtki z betonu niezbrojonego, betonu zbrojonego włóknem stalowym i żelbetowe” stawiają wymagania, których spełnienie ma zapewnić ich bezawaryjną eksploatację przez 90-100 lat. Nowoczesne metody produkcji gwarantują wysoką wydajność oraz powtarzalność wymaganych normami parametrów, dzięki czemu jakość idzie w parze z rozsądną ceną. Z tego punktu widzenia stosowanie nowoczesnych prefabrykatów w ujęciu kosztów budowy i bezawaryjnej długotrwałej eksploatacji kolektorów betonowych jest ekonomicznie uzasadnione.
 

Wytrzymałość – konstrukcja studzienki betonowej

Podstawowe wymagania stawiane wymienionym elementom w normie PNEN 1917:2004 (rys. 1) w aspekcie wytrzymałości konstrukcji studzienki to wytrzymałość betonu na ściskanie nie mniejsza niż 40 MPa (beton klasy nie niższej niż C35/45), wytrzymałość na zgniatanie komory roboczej i elementów trzonu studzienki (kręgów) nie mniejsza niż 30 kN/m, wytrzymałość na pionowe obciążenie elementów przykrywających (zwężki, płyty przykrywowe) nie mniejsza niż 300 kN (30 t), charakterystyka geometryczna elementów i profili złącza.
Istotny jest fakt, że te wymagania stawiane są w normie zarówno elementom betonowym, jak i żelbetowym. Ich spełnienie determinuje wytrzymałość konstrukcji, pozwalającą na zagłębienie obu typów studzienek w gruncie do 6 m głębokości bez konieczność wykonywania dodatkowych obliczeń. Z ekonomicznego punktu widzenia bardziej rozsądne jest zatem stosowanie w takich okolicznościach elementów bez zbrojenia.
Przedstawione parametry gwarantują również ogromną odporność zwężek i płyt przykrywowych (300 kN, 30 t) oraz kręgów i dennic na oddziaływanie dynamicznych obciążeń od ruchu kołowego. Zgodnie z wytycznymi ATV A127, w przypadku obciążenia przewodów kanalizacyjnych maksymalny współczynnik dynamiczny przyjmuje się na poziomie 1,4. Dyrektywą UE dopuszcza maksymalne obciążenie osi pojazdów na poziomie 115 kN, zatem obciążenie dla pojedynczego koła to ok. 6 ton. Wziąwszy pod uwagę współczynnik dynamiczny 1,4, otrzymujemy maksymalne obciążenie na poziomie 8,4 tony.
Porównując tę wartość do normowego minimum dla elementów zwieńczenia studzienki na poziomie 30 ton, należy jednoznacznie stwierdzić, że istnieje duży zapas wytrzymałości. W przypadku kręgów z betonu C35/45 jest on jeszcze większy.

Aby wytrzymałość konstrukcyjna studzienki betonowej była na tak wysokim poziomie, jej elementy muszą być bezwzględnie koliste, a płaszczyzny ich złączy równoległe. Zachowanie tych dwóch parametrów umożliwi równomierne przenoszenie obciążeń na całym obwodzie przekroju studzienki. W takim układzie nie będą powstawać naprężenia punktowe i siły rozciągające, powodujące odspojenia i pękanie kręgów. Równoległe płaszczyzny złączy o odpowiednim profilu na uszczelkę elastomerową (rys. 2) gwarantować będą szczelność połączeń.

Pierścień odciążający jest „charakterystycznym elementem osłonowym dla posadowionych w pasach drogowych obiektów o stosunkowo niewielkiej wytrzymałości, powodującym rozkładanie się obciążeń od transportu na stosunkowo dużą powierzchnię, a więc powinien być stosowany tam, gdzie konstrukcja obiektu nie jest przeznaczona do przenoszenia odpowiednich obciążeń”1.
Przedstawione wartości jednoznacznie jednoznacznie świadczą o tym, że betonowa studzienka jest obiektem o ogromnej wytrzymałości i wyposażanie jej w pierścień odciążający okazuje się nieuzasadnione.
 
Trwałość – długotrwała, bezawaryjna eksploatacja

Parametry determinujące trwałość elementów studzienek betonowych w normie PNEN 1917:2004, to stosunek w/c (woda/cement) w mieszance betonowej < 0,45, nasiąkliwość < 6% masy, wodoszczelność – 50 kPa (0,5 bara lub ok. 5 m słupa wody) utrzymywane przez 15 minut, dotyczy elementów, złączy i przejść szczelnych studzienki włazowej.

Utrzymanie w/c na normowym poziomie < 0,45 gwarantuje niską nasiąkliwość oraz wymaganą szczelność elementów studzienki. Ponadto stosowanie mieszanki betonowej o niskim w/c z węzła betoniarskiego w zakładzie prefabrykacji do wyrobu kinet w dennicach gwarantować będzie ich wysoką trwałość. Urabialność betonu o normowym w/c możliwe jest dzięki dodatkom chemicznym (plastyfikatorom). Wykonywanie kinety na terenie budowy, ze względu na uzyskiwanie urabialności przez dodawanie wody, skutkować będzie poziomem w/c = 0,6-0,8 lub wyższym i przepuszczalnością betonu kinety kilkunastokrotnie większą od normowej. Właściwości hydrauliczne kolektora będą wtedy dużo wcześniej zaburzone ze względu na niską trwałość kinet.
Drugim elementem wyposażenia dennicy, który ma bezpośredni wpływ na parametry gruntu w strefie posadowienia studzienek kanalizacyjnych są elastyczne przejścia szczelne. Zakłady prefabrykacji mogą w przewidzianych w projekcie miejscach umieścić przejścia szczelne o odpowiedniej średnicy dla rur z dowolnego materiału. Szczelność połączeń studzienka-rura w znacznym stopniu eliminuje zjawisko osiadania/zapadania się studzienek w pasach drogowych.
Zgodnie z normami PN- 82/B-0181, PN-EN 206-1, PN-B-03264, PN-EN 1916, PN-EN 1917 w konstrukcjach betonowych narażonych na oddziaływanie środowiska XA1 (wg PNEN 206-1 – m.in.: siarczany 200-600mg/dm³, pH 6,5-5,5) dla zapewnienia wymaganej trwałości wystarczy ochrona materiałowo-strukturalna betonu.
Zastosowanie betonu klasy C35/45, o w/c < 0,45 pozwala na rezygnację z „izolacji zewnętrznych powierzchni kręgów betonowych lepikiem asfaltowym stosowanym na zimno do gruntowania i izolacji ABIZOL R i roztworem asfaltowym ABIZOL P”2. Szacuje się, że zaledwie 1-3% gruntów na terenie Polski wykazuje wyższą agresywność, tj. XA2, XA3.
 
Rury betonowe – cechy materiału
Norma PNEN 1916:2005 „Rury i kształtki z betonu niezbrojonego, betonu zbrojonego włóknem stalowym i żelbetowe” stawia identyczne wymagania dla betonu używanego do prefabrykacji rur, np. PNEN 1917:2004 dla elementów studni.

Wytrzymałość na ściskanie min. 40 MPa i klasa betonu nie niższa niż C35/45 gwarantuje wysoką wytrzymałość na zgniatanie co umożliwia zagłębianie rurociągów betonowych bez zbrojenia od 0,6 do 6 m. Normowe w/c < 0,45 zapewnia odporność na oddziaływanie chemiczne gruntu i pozwala na niestosowanie izolacji powierzchni stycznych z gruntem słabo agresywnym, tj. XA1.

Przed omówieniem cech użytkowych rur betonowych (fot. 1) warto zwrócić uwagę na fakt, że bardzo często są one konfrontowane z zaletami innych materiałów określanymi miarą łatwości wbudowywania i posadawiania. Z punktu widzenia użytkownika kolektora, którym najczęściej jest podatnik, nie ma znaczenia to, czy dany rurociąg posadawiano szybko, czy długo, bezproblemowo czy z trudnościami, tylko to, czy ścieki będą nim płynęły 80-100 lat, bez potrzeby prowadzenia napraw i remontów. Masa własna, sztywność i ścieralność to parametry, które wprost determinują trwałość i bezawaryjność, minimalizując koszty eksploatacji w perspektywie czasu, co potwierdza wieloletnie doświadczenie z użytkowania kolektorów betonowych. Dopiero sumując koszty inwestycji oraz eksploatacji możemy ocenić trafność podjętych decyzji.
Rury betonowe i żelbetowe charakteryzują się bardzo dużą masą własną ok. 300 kg/m.b. dla ø 400. Taka masa gwarantuje stateczność i małą podatność na działania sił przemieszczeń gruntu oraz wyporu wód gruntowych, których poziom coraz częściej dynamicznie się zmienia. Umożliwia to utrzymanie zadanych parametrów spadków, co długotrwale pozytywnie wpływa na właściwości hydrauliczne.
Duża sztywność znacznie ułatwia dokładne osiowe ułożenie rurociągu i zachowanie żądanego spadku. Brak odkształceń gwarantuje również stabilną pracę złączy, tu zintegrowanych uszczelek elastomerowych, a w konsekwencji długotrwałą szczelność rurociągu.
Rury sztywne w konstrukcji rura-grunt zapewniają ok. 85% jej wytrzymałości. Tylko 15% zależy od otaczającego rurę gruntu. Paradoksalnie więc nastręczają dużo mniej trudności z tytułu prawidłowo wykonanej obsypki, którą w tym przypadku od połowy przekroju rury można wykonać z gruntu rodzimego. Parametry wytrzymałości konstrukcji rura-grunt kształtowane są tu niejako w zakładzie prefabrykacji w trakcie ustalania parametrów rury, a nie na placu budowy przy pracy nad jakością obsypki.

Parametr ścieralności określa się w dwóch kategoriach, bezwzględnej i względnej. Pierwsza określa materiał i jest charakterystyczna dla materiału. Druga, ścieralność względna, odnosi się do elementu wykonanego z danego materiału. Ścieralność określana jest w funkcji ubytku materiału danego wyrobu, tu rury, do ilości cykli przepłynięcia medium o określonych cechach. Na wykresie opartym na badaniu wykonanym tzw. metodą darmsztadzką przedstawiono ścieralność różnych, dostępnych na rynku materiałów.

Abrasion – ubytek, load cycles – cykle przepływu medium, asbestos cement – azbestocement, fibre glass reinforced pipe – wzmacniana rura z włókien szklanych, concrete pipe – rura betonowa, cclay pipe – rura kamionkowa, trzy linie o wartościach poniżej 0,5 mm przy 600 tys. cykli to HDPE, PP i PE

Wykres przedstawia ścieralność bezwzględną charakterystyczną dla danych materiałów w funkcji liczby cykli. Dla ujęcia tych wyników w kategorii ścieralności względnej, na podstawie obliczeń matematycznych przytoczona zostanie ścieralność rur ø 400 z poszczególnych materiałów w funkcji 500 tys. cykli do całkowitego przetarcia ścianki rury.

 

 

Tab. 1. Dane dotyczące grubości ścianek
Materiał
Ścieralność bezwzględna dla 500 tys. cykli
Grubość ścianki
Ścieralność bezwzględna dla danego wyrobu w tys. cykli
PP – rura strukturalna SN4
ok. 0, 25 mm
2,5 mm
5000
PVC SN4
ok. 0,5 mm
10 mm
10 000
beton
ok. 1,5 mm
70 mm
23 333
kamionka
ok. 0,6
44 mm
36 666
Przytoczone w tabeli 1 dane dotyczące grubości ścianek pochodzą z katalogów znajdujących się na stronach internetowych producentów oferujących wyroby na terenie Polski.
Powyższe zestawienie ścieralności względnej jednoznacznie wskazuje na bardzo niską ścieralność wyrobów betonowych, w tym przypadku rur, ale również opisywanych wcześniej kinet betonowych. Jedynie rury kamionkowe, również sztywne, mają mniejszą ścieralnością względną. Bardzo niska względna ścieralność rur i kinet betonowych przekłada się bezpośrednio na trwałość i jakość parametrów hydraulicznych całego kolektora.
 
Ekonomika stosowania prefabrykatów betonowych
W celu uwypuklenia korzyści ekonomicznych stosowania normowych prefabrykatów betonowych, których wytrzymałość i trwałość tu opisano, przygotowany został kosztorys budowy kolektora ściekowego w dwóch wariantach (tab. 2).
Wariant pierwszy obejmuje kolektor betonowy o długości 371 m.b. złożony wyłącznie z rur betonowych ø400 i ø500, „na drodze” którego ustawiono dziewięć włazowych studzienek rewizyjnych (4szt. ø1000, 4 szt. ø1200, 1 szt. ø1500) wykonanych z elementów betonowych, tj. dennic (z betonową kinetą, elastycznymi przejściami), kręgów i zwężek.
Wariant drugi obejmuje kolektor tej samej długości złożony z rur żelbetowych i dziewięciu żelbetowych studzienek izolowanych abizolem R i abizolem P, dodatkowo wyposażonych w pierścienie odciążające. Taka konfiguracja jest bardzo często projektowana i dlatego znalazła swoje miejsce w tym porównaniu.
Kolektor w obu wariantach zgodnie z założeniami kosztorysu ma znajdować się w terenie zabudowanym pod jezdnią obciążoną ruchem kołowym, na głębokości 4 m. Grunt rodzimy klasy III transportowany na odległość 3 km. Nakłady z tytułu robocizny i sprzętu wykorzystania sprzętu do posadowienia kolektora betonowego oraz żelbetowego pozostają takie same. Różnica w kosztach całkowitych wynikać będzie z różnicy cen zakupu prefabrykatów betonowych i żelbetowych oraz nakładów z tytułu izolacji i zakupu pierścieni odciążających z płytami przykrywowymi.
Ceny prefabrykatów betonowych i żelbetowych użyte w zestawieniu są średnią cen z cenników 10 firm, członków SPEBK i różnią się od ofertowych cen z przetargów.
 
Tab. 2. Zestawienie kosztów budowy kolektora w obu wariantach
4 m
Kolektor betonowy
Kolektor żelbetowy
Kolektor żelbetowy + izolacja zewn. + pierścienie odciążające
Rurociąg ø400/500- 371 m
66 390 zł
74 044 zł
74 044 zł
178 zł/m
199 zł/m
199 zł/m
Studnia ø 1500 – 1 szt.
5 687 zł.
8 414 zł
8 651 zł
5 687 zł/szt.
8 414 zł/szt.
8 651 zł/szt.
 Studnia ø 1200 – 4 szt.
17 662 zł
20 534 zł
25 423 zł
4 415 zł/szt.
5 133 zł/szt.
6 355 zł/szt.
Studnie ø 1000 – 4 szt.
14 340 zł
16 772 zł
20 088 zł
3585 zł/szt.
4193 zł/szt.
5022 zł/szt.
 Razem koszty materiałów w złotych
Beton
Żelbet
Żelbet + izolacja zewn. + pierścienie odciążające
104 079 zł
119 764 zł
128 206 zł
Robocizna, sprzęt, koszty pośr., zysk w złotych – wartość stała
261 683 zł
261 683 zł
261 683 zł
Razem – koszt budowy kolektora w złotych
365 762 zł
381 447 zł
398 889 zł
Natomiast różnice w kosztach w ujęciu zarówno kwotowym, jak i procentowym przedstawione są w tabeli 3.
 
Tab. 3. Różnice w kosztach w ujęciu kwotowym i procentowym
4 m
Beton
Różnica
Żelbet
Różnica
Żelbet + izolacja + pierścienie odciążające
Materiały
104 079 zł
15 685 zł, 13%
119 764 zł
8 442 zł, 6%
128 206 zł
 
24 127 zł, 19%
Koszt kolektora
365 762 zł
15 685 zł, 4%
381 447 zł
8 442zł, 2%
398 889 zł
 
24 127 zł, 6%
 

Stosowanie normowych prefabrykatów zapewnia duże oszczędności na etapie inwestycji (kolektor 3710 m przekłada się na 241 270 zł oszczędności). Trwałość i wytrzymałość gwarantować będzie również minimalizację kosztów eksploatacji.

Mateusz Florek, dyrektor Stowarzyszenia Producentów Elementów Betonowych dla Kanalizacji

Źródła
1. Suligowski Z.: Obiekty kubaturowe posadowione w podłożu gruntowym – to nie kotwa. „Magazyn Instalatora” 11/ 2005.
2. KNR-W 2-18 0606-09.

Wszystkie wykresy i fotografie pochodzą z Archiwum SPEBK.