Wymagania dla konstrukcji z betonu w obiektach specjalnych
Na przykładzie wytycznych do budowy elektrowni jądrowej
Poznaj wymagania dla konstrukcji z betonu w obiektach specjalnych
www.pixabay.com
Współczesne projekty inżynierskie dotyczące specjalnych obiektów budowlanych, takich jak budynki wysokościowe, mosty, elektrownie, silosy czy obiekty hydrotechniczne, wymagają od projektantów i wykonawców biegłości w sztuce inżynierskiej. Muszą oni nie tylko zaprojektować konstrukcje w zgodzie z restrykcyjnymi normami i wymogami szczegółowymi, ale również zapewnić odpowiednie parametry użytkowe. W celu spełnienia wszystkich założeń projektowych konieczny staje się dobór podstawowego materiału konstrukcyjnego.
Zobacz także
BASCOGLASS Sp. z o. o. Pręty kompozytowe do zbrojenia betonu
Pręty kompozytowe wykorzystywane są w konstrukcjach budowlanych od kilkudziesięciu lat. Wysoka odporność na korozję, duża wytrzymałość na rozciąganie, obojętność elektromagnetyczna oraz łatwość cięcia...
Pręty kompozytowe wykorzystywane są w konstrukcjach budowlanych od kilkudziesięciu lat. Wysoka odporność na korozję, duża wytrzymałość na rozciąganie, obojętność elektromagnetyczna oraz łatwość cięcia to główne czynniki decydujące o wyborze prętów kompozytowych jako zbrojenia konstrukcji. Liczne realizacje, w których zastosowano takie zbrojenie oraz pozytywne wyniki wielu badań świadczą o tym, iż jest ono dobrą alternatywą dla klasycznej stali zbrojeniowej.
dr inż. Marcin Górski, dr inż. Bernard Kotala, mgr inż. Rafał Białozor Przykłady zastosowania prętów FRP oraz deskowań traconych
Pręty kompozytowe stwarzają wiele możliwości zastosowania w konstrukcjach budowlanych wszędzie tam, gdzie tradycyjne zbrojenie stalowe przestaje być efektywne. Wśród nich największą popularnością w realizacjach...
Pręty kompozytowe stwarzają wiele możliwości zastosowania w konstrukcjach budowlanych wszędzie tam, gdzie tradycyjne zbrojenie stalowe przestaje być efektywne. Wśród nich największą popularnością w realizacjach budowlanych cieszą się pręty kompozytowe oparte na włóknie szklanym. Ciekawą propozycją wykorzystania materiałów FRP jest ich zastosowanie w budownictwie betonowym jako deskowanie tracone. Nie jest to metoda powszechna i znajduje uznanie głównie w Stanach Zjednoczonych.
inż. Łukasz Górecki, mgr inż. Krzysztof Grzegorzewicz Keramzyt i styropian jako lekkie wypełnienia nasypów drogowych
Intensywny rozwój infrastruktury drogowej skutkuje prowadzeniem nowych szlaków komunikacyjnych na terenach dotąd niewykorzystywanych ze względu na wystąpienie w podłożu gruntów słabych i bardzo ściśliwych....
Intensywny rozwój infrastruktury drogowej skutkuje prowadzeniem nowych szlaków komunikacyjnych na terenach dotąd niewykorzystywanych ze względu na wystąpienie w podłożu gruntów słabych i bardzo ściśliwych. W takich przypadkach najczęściej stosuje się wzmocnienie podłoża poprzez zastosowanie pali, kolumn, zbrojenia geosyntetykami.
Program Polskiej Energetyki Jądrowej (PPEJ) został po raz pierwszy przyjęty przez Radę Ministrów 28 stycznia 2014 r. z założeniem realizacji na lata 2014-2030 przy współudziale Grupy Kapitałowej PGE SA (m.in. PGE EJ 1). Cały proces inwestycyjny podzielono na cztery etapy:
- etap 1 - ustalenie lokalizacji i zawarcie kontraktu na dostarczenie wybranej technologii dla pierwszej elektrowni jądrowej,
- etap 2 - wykonanie projektu technicznego i uzyskanie wymaganych prawem decyzji i opinii,
- etap 3 - pozwolenie na budowę i budowa pierwszego bloku pierwszej elektrowni jądrowej, rozpoczęcie budowy kolejnych bloków/elektrowni jądrowych, rozruch pierwszego bloku,
- etap 4 - Kontynuacja działań związanych z rozbudową i uruchomieniem kolejnych bloków/elektrowni jądrowych.
Pierwszy harmonogram prac zakładał realizację etapu 1 do końca 2016 r. i możliwy wybór dostarczanej technologii w oparciu o pięciu dostawców (EDF SA, GE Hitachi Nuclear Energy Americas LLC, Westinghouse Electric Company LLC, SNC Lavalin Nuclear Inc., Korea Hydro & Nuclear Power), którzy w 2015 roku zadeklarowali chęć udziału w PPEJ. Niestety opóźnienia ze strony inwestora spowodowały konieczność aktualizacji zarówno harmonogramu, jak i całego programu.
ABSTRAKT |
|---|
|
W artykule na przykładzie obiektu elektrowni jądrowej zestawiono normy konstrukcyjne i materiałowe obowiązujące w Polsce z wytycznymi szczegółowymi dotyczącymi konstrukcji z betonu w omawianym obiekcie budowlanym na świecie. W elektrowniach jądrowych nowej generacji w konstrukcje z betonu wbudowuje się nawet do 200 tys. m3 betonu. W praktyce do projektowania elektrowni jądrowych stosuje się tzw. kody kraju dostawcy technologii reaktora i głównych urządzeń oraz instalacji, natomiast budowa musi przebiegać w oparciu o przepisy krajowe właściwe dla miejsca realizacji projektu. |
Requirements for concrete structures in special purpose facilities, based on the example of guidelines for construction of a nuclear power plantOn the basis of the example of a nuclear power plant building, the article compares the structural and material standards in place in Poland with the specific requirements concerning concrete structures in such buildings worldwide. Up to 200k cu.m concrete can be used in concrete structures of new generation nuclear power plants. In practice, country codes are used in nuclear power plant design for the reactor technology and main plant and machinery technology supplier, while the actual construction must proceed on the basis of the national legislation applicable to the project site. |
W elektrowniach jądrowych do najważniejszych struktur budowlanych zalicza się przede wszystkim budynek reaktora z obiektami pomocniczymi i kominami wentylacyjno-upustowymi, budynkiem rozdzielni elektrycznej, zasilania awaryjnego oraz zaopatrzenia w wodę systemu chłodzącego i obiegowego.
Konstrukcje tych obiektów muszą spełnić konkretne wymagania bezpieczeństwa obejmujące nie tylko zasady projektowania i wznoszenia, ale również zapewniające bezpieczeństwo eksploatacyjne w trakcie przewidzianego w projekcie okresu użytkowania. Zgodnie z przyjętymi w Europie standardami, wymagania wykorzystywane do projektowania i budowy reaktora jądrowego wraz z głównymi urządzeniami i instalacją opierają się na normach i regulacjach kraju potencjalnego dostawcy. Sama budowa zaś w kraju odbiorcy urządzeń musi uwzględniać specyfikę narodową oraz lokalne wymagania zawarte w normach i wytycznych. Niniejszy artykuł przedstawia współczesne kody, normy oraz wytyczne obejmujące swoim zakresem konstrukcje z betonu z możliwością ich zastosowania w obiektach energetyki jądrowej.
Normy konstrukcyjne i materiałowe stosowane w Polsce
Przy projektowaniu konstrukcji z betonu podstawę stanowią wytyczne oraz zalecenia zawarte w zestawie norm europejskich tzw. Eurokodach. Są one podzielone na pakiety obejmujące konkretne zagadnienia i rodzaj konstrukcji. Projektowanie konstrukcji z betonu w elektrowniach jądrowych może w podstawowych założeniach opierać się na PN-EN 1992 Eurokodzie 2 cz. 1, 2 i 3 oraz PN-EN 1994 cz. 1. Pierwsza norma dotyczy ogólnych reguł projektowania konstrukcji z betonu z uwzględnieniem zasad dla budynków, projektowania ze względu na warunki pożarowe oraz projektowania silosów, zbiorników na ciecze. Eurokod 4 ma zaś znaczenie przy realizacji konstrukcji zespolonych stalowo-betonowych.
W zakresie wymagań i warunków związanych z wykonywaniem elementów zbrojonych oraz sprężanych, a także zastosowaniem i produkcją prefabrykowanych elementów z betonu należy zastosować odpowiednio normy PN-EN 13670 oraz PN-EN 13369. Dodatkowo w celu określenia oddziaływań na projektowaną konstrukcję z betonu powinno zapoznać się z normami przedstawionymi na RYS. (blok "Wytyczne wspomagające projektowanie"). Należy jednak mieć na uwadze, że powyższe zestawy norm nie uwzględniają oddziaływań specjalnych związanych z promieniowaniem jonizującym występującym w obiektach nuklearnych (zjawisko radiacji czy oddziaływania termicznego w komorze reaktora).
RYS. Normy konstrukcyjne i materiałowe stosowane do konstrukcji z betonu w Polsce; rys. archiwa autorów
Eurokody zawierają wytyczne co do materiałów budowlanych możliwych do zastosowania przy wznoszeniu poszczególnych elementów konstrukcyjnych czy też kompleksowego obiektu budowlanego w formie odniesienia do odpowiedniej polskiej normy materiałowej (PN-EN), stanowiącej implementację regulacji opracowywanych przez Europejski Komitet Normalizacyjny. Na RYS. zestawiono normy materiałowe zawierające najistotniejsze wytyczne przy budowie obiektów o konstrukcji z betonu, które mogą mieć zastosowanie przy budowie elektrowni jądrowej w Polsce.
Za podstawową normę materiałową do betonu uznaje się PN-EN 206, "Beton. Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność", która zawiera wytyczne dla parametrów mechaniczno-fizycznych mieszanki, trwałości konstrukcji ze względu na klasy oddziaływania środowiskowego oraz odniesienia do norm związanych z dopuszczalnymi składnikami mieszanki, procesem produkcji i badań. Aby w pełni określić i wytworzyć kompozyt betonowy, niezbędne jest wykorzystanie zestawu norm dotyczących składników betonu. Obejmuje on standardy dotyczące cementu (PN-EN 197), wymogi i metody badawcze dla kruszywa (PN-EN 12620) oraz normę dla wody zarobowej (PN-EN 1008).
Podobnie istotne są normy dla dodatków do betonu: popiołu lotnego (PN-EN 450), pyłu krzemionkowego (PN-EN 13263), mielonego granulowanego żużla wielkopiecowego (PN-EN 15167) oraz domieszek (PN-EN 934). Zaprojektowany beton wymaga zbadania właściwości reologicznych, fizycznych i chemicznych. Do badania mieszanki betonowej służy wydana w 12 częściach norma PN-EN 12350. Po stwardnieniu beton poddaje się analizie w zgodzie z 8-częściową normą PN-EN 12390. Niestety żadna z omawianych norm, podobnie jak w przypadku Eurokodów, nie zawiera specyficznych wytycznych dla materiałów z betonu możliwych do wykorzystania przy budowie elektrowni jądrowych.
Z pozostałych norm, w których przeważają zagadnienia związane z betonem, szczególnie przydatne mogą okazać się standardy związane z oceną wytrzymałości betonu na ściskanie (PN-EN 13791) wraz z metodami pozyskiwania próbek i dokonywania analizy trwałości konstrukcji poprzez np. wykonanie odwiertów rdzeniowych (PN-EN 12504-1) czy zastosowanie metody pull-out (PN-EN 1504-3). W przypadku elektrowni jądrowych niewskazane jest pobieranie próbek z elementów osłonowych konstrukcji z betonu.
Zaleca się stosowanie metod nieniszczących do analizy stanu konstrukcji, takich jak badanie młotkiem Schmidta - metoda sklerometryczna (PN-EN 12504) czy wykorzystanie metody ultradźwiękowej (PN-EN 1504-4). Przytoczone normy z pakietu PN‑EN 1504 stanowią część obszernego zestawu norm dotyczących wyrobów i systemów do ochrony i naprawy konstrukcji betonowych. Część z nich stanowi podstawę do specyfikacji rozwiązań projektowych, technologicznych ochrony oraz naprawy konstrukcji wraz z zaleceniami dla producentów wyrobów w zakresie oceny zgodności. Biorąc pod uwagę przewidywany czas eksploatacji elektrowni jądrowych wynoszący nawet 60 lat, konieczność poznania metod oceny trwałości oraz naprawy elementów z betonu jest niezaprzeczalna.
Wymagania szczegółowe dla konstrukcji z betonu w obiektach energetyki jądrowej
Na świecie w 30 krajach działa 449 elektrowni jądrowych, a około 60 jest w trakcie budowy. Energia elektryczna pozyskiwana z reaktorów jądrowych w 2014 r. stanowiła prawie 11% światowej produkcji. Kraje, takie jak Francja, Niemcy, Japonia, Stany Zjednoczone czy Kanada, które posiadają znaczny udział produkcji energii elektrycznej z elektrowni jądrowych we własnej gospodarce energetycznej, stworzyły standardy oraz wytyczne do budowy i eksploatacji obiektów jądrowych (TABELA).
We Francji podstawowe wytyczne do budowy elektrowni jądrowych zawarto w technicznych kodach robót budowlanych RCC-CW. Dokument ten składa się z czterech części i opiera się na normach europejskich oraz francuskich szczególnych przepisach bezpieczeństwa dotyczących budynków. Zawiera on ogólne postanowienia dotyczące normy, wytyczne do projektowania konstrukcji, szczegółowe wymagania do wznoszenia obiektów z betonu oraz główne zasady dotyczące badań oraz monitoringu.
W Niemczech projektowanie i budowa elementów konstrukcyjnych elektrowni atomowych opiera się na specyfikacji Komisji ds. standardów bezpieczeństwa jądrowego - KTA (Kerntechnischer Ausschuss) oraz normach Niemieckiego Instytutu Normalizacji - DIN (Deutsches Institut für Normung). Normy KTA-GS-78 oraz KTA 2201.3 koncentruje się na wymaganiach specyficznych dla elektrowni jądrowych dla betonu wzmocnionego, wstępnie sprężonego oraz konstrukcji stalowych w zgodzie z zaleceniami do projektowania stosowanymi w częściowej koncepcji bezpieczeństwa oraz minimalizującymi skutki trzęsienia ziemi.
W dokumentach DIN zaś określono m.in. parametry dla kruszywa i cementu w mieszankach betonowych przeznaczonych do elementów osłonowych przed promieniowaniem neutronowym oraz gamma (DIN 25413), wymagania konstrukcyjne dla żelbetowych i sprężonych obudów bezpieczeństwa (DIN 25459) oraz koncepcje projektowe konstrukcji betonowych, wzmocnionych i prefabrykowanych w obiektach elektrowni jądrowych (DIN 25449).
Stany Zjednoczone, jako największy producent energii elektrycznej z elektrowni jądrowych, stworzyły rozbudowany pakiet norm i standardów do projektowania i wznoszenia obiektów jądrowych. Dokumenty te przygotowuje grupa organizacji, w tym:
- Electric Power Research Institute (EPRI),
- American Concrete Institute (ACI),
- American Society of Mechanical Engineers (ASME),
- American National Standards Institute (ANSI),
- American Nuclear Society (ANS),
- American Society for Testing and Materials (ASTM International).
Do projektowania i wykonywania konstrukcji betonowych oraz żelbetowych w obiektach energetyki jądrowej służą przede wszystkim normy ACI 301-16 oraz ACI 349-13 wspomagane innymi dokumentami zawartymi w "Manual of Concrete Practice" (MCP), wytycznymi ASTM standards oraz normami technicznymi ANSI obejmującymi analizę, projektowanie oraz opis możliwych do wykorzystania materiałów w konstrukcjach osłonowych z betonu (ANSI/ANS-6.4-2006, ANSI/ANS-6.4.2-2006).
Podstawową normą kanadyjską stosowaną przy projektowaniu i budowie elektrowni jądrowych jest RD-337 "Design of New Nuclear Power Plants". Uzupełnienie tego dokumentu stanowią wytyczne CSA związane z konstrukcjami betonowymi oraz betonowymi obudowami bezpieczeństwa dla elektrowni jądrowych, w szczególności elektrowni z ciężkowodnym reaktorem jądrowym, tzw. CANDU (Canadian Deuterium Uranium).
Dla tego typu reaktorów Candu Owners Group (COG) wraz z University Network of Excellence in Nuclear Engineering (UNENE) stworzyło podręcznik "The Essential CANDU", opisujący w sposób szczegółowy nie tylko zagadnienia nauki jądrowej, ale również inżynierii, biorąc za wzorzec reaktory CANDU.
Ostatnią grupę stanowią normy japońskie opierające się na wytycznych opracowanych przez Japoński Instytut Architektury (AIJ) oraz Japońskie Stowarzyszenie Inżynierów Mechaników (JSME). Po awarii elektrowni jądrowej w Fukushimie w 2011 r., poza normami projektowymi i konstrukcyjnymi w zakresie obiektów inżynieryjnych betonowych i żelbetowych w elektrowniach jądrowych, wprowadzono wytyczne poprawiające standardy bezpieczeństwa podczas ich budowy oraz eksploatacji.
Istotne jest, aby powstający obiekt budowlany, jakim jest elektrownia jądrowa, był przede wszystkim bezpieczny, ale także, by jego budowa przebiegła sprawnie i bez opóźnień. Normy i wytyczne, które zostaną przyjęte do wzniesienia tego obiektu budowlanego, powinny być sprawdzone w praktyce. Możliwe jest wykorzystanie wzorów i standardów z innych krajów (np. Wielka Brytania bazuje na normach amerykańskich i francuskich), ale powinny one być zgodne z lokalnymi warunkami technicznymi.
Niniejszy artykuł powstał w oparciu o opracowanie: „Wytyczne wspomagające działania przedsiębiorstw krajowych w budowie elektrowni jądrowych. Konstrukcje z betonu w obiektach energetyki jądrowej”, które zespół z Politechniki Warszawskiej zrealizował na zlecenie Ministerstwa Energii, dotyczącego przygotowania polskiego przemysłu do kooperacji z energetyką jądrową.
Literatura
1. T. Piotrowski, A. Garbacz, P. Prochoń, „Konstrukcje z betonu w obiektach energetyki jądrowej”, Wydział Inżynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej, 2017.
