ZBIORNIKI ŻELBETOWE

opracowano na podstawie:

ZBIORNIKI PODZIEMNE ŻELBETOWE

Tomasz Przymusiak

prowadzący: dr inż. Tomasz Oleszkiewicz

POLITECHNIKA POZNAŃSKA

WYDZIAŁ ARCHITEKTURY, BUDOWNICTWA

i Inżynierii ŚRODOWISKA

Dr inż. Wojciech Słomka, Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska

Rys historyczny

• W dawnych czasach w celu zgromadzenia wody do picia

stosowano cysterny wykute w skale.

• Wraz z rozwojem i umiejętności obróbki drewna stosowano

do tego celu zbiorniki drewniane, które pod postacią
beczek przetrwały do dnia dzisiejszego.

• Rewolucja związana z odkryciem stali oraz rozwojem

przemysłu metalurgicznego i wprowadzeniem wyrobów
walcowanych spowodowała rozwój zbiorników blaszanych,
wykonywanych pod różnymi postaciami.
Zbiorniki te, choć wrażliwe na korozję stosowane są do
dzisiaj miedzy innymi ze względu na łatwość i szybkość
wykonania.

• Przed I Wojną Światową zapoczątkowano wykonanie

zbiorników żelbetowych. Jednak zastosowanie ich na
szeroką skalę nastąpiło
w okresie międzywojennym.

• Rosnące wymagania dotyczące szczelności oraz ich

coraz większe rozmiary zmuszały inżynierów do
poszukiwania nowych rozwiązań konstrukcyjnych,
które przyczyniły się do opracowania przez E.
Freyssineta koncepcji zbiornika sprężonego.

• Koncepcja ta, ze względu na wyeliminowanie blachy

stalowej jako elementu konstrukcyjnego, spowodowała
szybki rozwój tej technologii

STOSOWANE KSZTAŁTY

Kształt zbiornika ma wpływ na sposób jego
projektowania i wykonania.
Przy wyborze kształtu zbiornika należy brać
pod uwagę następujące czynniki:

‰

przeznaczenie zbiornika,

‰

pojemność i wymiary zbiornika,

‰

stosowany materiał
(żelbet lub beton sprężony),

‰

sposób wykonania,

‰

sposób posadowienia.

KSZTAŁTY

Kształt rzutu zbiornika może być:

‰

kołowy,

‰

prostokątny,

‰

wieloboczny lub

‰

nieforemny.

Najczęściej stosowany jest rzut kołowy, prostokątny lub

kwadratowy.
Badania wykazały, że najbardziej korzystne są zbiorniki
o rzucie kołowym, o pojemności od 50 do 5000 m

3

.

Przy większej pojemności celowe jest budowanie zbiorników prostokątnych

.

Ekonomiczna wysokość zbiorników walcowych wynosi:
3,5 m przy pojemności od 50 do 500 m

3

i

4,5 m przy pojemności od 600 do 2000 m

3

.

KSZTAŁTY

Z punktu widzenia usytuowania poziomu dna w

stosunku do terenu, zbiorniki dzielą się na:

‰

podziemne,

‰

naziemne lub

‰

wyniesione (wieże ciśnień).

W

zależności od przeznaczenia zbiorniki mogą być

zamknięte lub otwarte.
Przy większych objętościach (powyżej 5000 m

3

)

i wysokościach do 5 m zbiorniki podziemne projektuje
się z przekryciem w postaci stropu opartego na
słupach umieszczonych wewnątrz zbiornika.

KSZTAŁTY

Przy mniejszych objętościach i wysokościach powyżej
5 m stosuje się przekrycie oparte na ścianie
zewnętrznej.

W niektórych konstrukcjach przekrycie jest powłoką
kulistą lub stożkową, nawet przy większych wymiarach
zbiornika w rzucie.

Wynika stąd, że konstrukcja przekrycia decyduje o
sposobie rozwiązania konstrukcji dna.

W przypadku stosowania słupów wewnątrz zbiornika
powstają trudności przy uszczelnieniu dna wmiejscach
przenikania słupów.

Typy zbiorników w rzucie prostokątnym

Typy zbiorników

a) w rzucie prostokątnym

b) częściowo zagłębionych w gruncie o przekroju kołowym podziemnych

Podział ze względu na przeznaczenie

a) stosowane przy oczyszczaniu wody i ścieków,

b) używane na wodę pitną, przemysłową

i przeciwpożarową,

c) stosowane w przemyśle chemicznym,

d) stosowane w przemyśle spożywczym,

e) stosowane w przemyśle mineralnym, np.:

w cementowniach, w budynkach flotacyjnych,

f) używane do przechowywania produktów naftowych,

g) baseny pływackie itd.

Inne typy zbiorników

Zbiorniki o kształtach specjalnych mają formy
podyktowane względami technologicznymi.

Metody obliczeń statycznych zbiorników sprężonych
nie różnią się od metod stosowanych przy zbiornikach
żelbetowych, natomiast sposób ich konstruowania
oraz wykonania odbiega bardzo znacznie.

Zbiorniki wyniesione (wieże ciśnień) przedstawiają
odrębną grupę z uwagi na problemy konstrukcyjne
związane z konstrukcją wsporczą.

Charakterystyka zbiorników o przekroju prostokątnym

Zbiorniki prostokątne są na ogół mniej ekonomiczne od
zbiorników kołowych.
Wynika to
•z jednej strony z mniej korzystnego stosunku obwodu do
powierzchni, a
•z drugiej - z obecności w ścianach zbiorników
prostokątnych oprócz sił rozciągających także znacznych
momentów.

W zakładach, gdzie technologia wymaga znacznej liczby
zbiorników połączonych ze sobą lub obok siebie stojących
(przemysł garbarski, papierniczy, farbiarski, browarniczy,
roszarniczy, wikliniarski)
zbiorniki prostokątne są korzystniejsze od kołowych ze
względu na łatwiejsze połączenie i lepsze wykorzystanie
miejsca.

Charakterystyka zbiorników o przekroju prostokątnym

Zbiorniki mogą być:

– otwarte lub zamknięte,
– jednokomorowe lub wielokomorowe .

Te ostatnie są na ogół rozwinięte w jednym poziomie.
Zdarzają się jednak zbiorniki wielokomorowe
wielopiętrowe (przemysł winiarski, spożywczy,
roszarniczy).

Zbiorniki prostokątne są stosowane jako:

– zbiorniki podziemne lub
– częściowo zagłębione w ziemi.

Dno i przekrycie zbiorników prostokątnych

Dno zbiorników jest zwykle płaskie o konstrukcji

płytowej lub przy większych rozmiarach płytowo-
żebrowej.

Przy większych zbiornikach przekrytych stosuje
się także odwrócone stropy grzybkowe, łupiny
walcowe i łupiny klasztorne, zwłaszcza przy
zagłębieniu dna znacznie poniżej poziomu wody
gruntowej.

W związku z wymaganiami technologicznymi
ukształtowanie dna musi być niekiedy
urozmaicone, np.: przy basenach pływackich,
osadnikach itp.

Przy zbiornikach odkrytych naziemnych lub częściowo zagłębionych w

ziemi, o większych wymiarach w rzucie, rozdziela się z reguły konstrukcję
ścian i dna dylatacjami,
a ściany pracują wtedy jako ściany oporowe.

Ściany zbiorników zamkniętych są przeważnie dołem połączone
monolitycznie z dnem, górą z przekryciem w sposób sztywny lub
przegubowy, rzadko ze swobodnym przesuwem.

Konstrukcja ich jest płytowa, płytowo-żebrowa,
rzadziej w postaci łupin walcowych opartych na żebrach.

Konstrukcja przekrycia jest podobna do konstrukcji dna
- a więc płytowa przy małych zbiornikach,

przy większych - płytowo-żebrowa, w postaci stropu grzybkowego,

rzadziej w postaci sklepień walcowych lub klasztornych opartych na
żebrach.

Charakterystyka zbiorników o przekroju kołowym

Zbiorniki tego typu dzielą się na dwie grupy zbiorników
utworzonych przez powłoki obrotowe:

‰

o pionowej osi obrotu oraz

‰

o poziomej osi obrotu.

Powierzchnie ich utworzone są przez obrót linii krzywej, prostej
lub łamanej – zwanej tworzącą - dookoła osi obrotu.

Zbiorniki o poziomej osi obrotu (najczęściej o kształcie

walcowym) wykonuje się głównie ze stali.

W zależności od rodzaju tworzącej rozróżniamy powłoki w
kształcie kopuł, walców lub stożków, z których konstruuje się
ścianki boczne, przekrycia oraz dna zbiorników.

W odróżnieniu od zbiorników prostokątnych istnieje tu duże
zróżnicowanie typów spotykanych kształtów.

Charakterystyka zbiorników o przekroju kołowym

Zbiorniki podziemne mają na ogół ścianki walcowe o

przekryciach płytowych bezsłupowych - dla małych wymiarów
zbiornika w rzucie,
grzybkowych - dla większych wymiarów przekrycia,
czy też żebrowych (np. z jednym słupem w środku).
Do bardziej ekonomicznych przekryć należą powłoki:

‰

w kształcie kopuł,

‰

powłoki torusowe lub

‰

obrotowe sklepienia cylindryczne.

Dno mogą stanowić:

‰

płyty kołowe,

‰

odwrócone stropy płytowo - żebrowe, bądź grzybkowe;

‰

rzadziej spotyka się tu powłoki kuliste i stożkowe .

W razie konieczności stałego przechowywania cieczy

• buduje się kilka mniejszych zbiorników lub
• konstruuje się zbiorniki o więcej niż jednej komorze

(najczęściej dwukomorowe);

stwarza to możliwość korzystania z jednej z komór
przy ewentualnej naprawie czy konserwacji drugiej.
Zbiorniki o przekroju kołowym mogą mieć ściany
boczne monolityczne lub prefabrykowane.

Zbiorniki o ścianach bocznych prefabrykowanych
wykonuje się z zasady jako sprężone.
Zbiorniki monolityczne mogą być sprężone lub nie, w
zależności od wielkości sił wewnętrznych w ścianach.

Schematy zbiorników dwukomorowych podziemnych

Przekrycia zbiorników

Najbardziej ekonomicznymi przekryciami zbiorników o

przekroju kołowym – ze względu na znaczne oszczędności stali

i betonu w porównaniu z innymi przekryciami – są powłoki

cienkościenne w kształcie kopuł.
Ujemną cechą tych przekryć o konstrukcji monolitycznej jest

konieczność dużej dokładności wykonania oraz bardzo często

duże zużycie drewna przy wykonaniu deskowań; duża

pracochłonność tych robót wydłuża czas realizacji.

Tych ujemnych cech można uniknąć, stosując powłokę

prefabrykowaną tak skonstruowaną, aby była zapewniona

przestrzenna praca, całości konstrukcji.
Niewykorzystane przeważnie naprężenia i daleki na ogół od

wartości granicznych na wyboczenie (przy stosowanych

rozpiętościach) stosunek grubości powłoki do promienia jej

krzywizny upoważniają do stosowania tego rodzaju przekrycia

nawet przy znacznych obciążeniach

(w zbiornikach podziemnych rozpiętości przekryć kopułowych

dochodzą do 20 m i więcej).

Przekrycia zbiorników

Powszechnie stosowanym sposobem podparcia kopu

Powszechnie stosowanym sposobem podparcia kopu

ł

ł

y na

y na

ś

ś

cianach cylindrycznych jest podparcie za po

cianach cylindrycznych jest podparcie za po

ś

ś

rednictwem

rednictwem

wydzielonego wie

wydzielonego wie

ń

ń

ca pier

ca pier

ś

ś

cieniowego, kt

cieniowego, kt

ó

ó

ry przejmuje rozp

ry przejmuje rozp

ó

ó

r

r

przekrycia.

przekrycia.

W zbiornikach podziemnych rozp

W zbiornikach podziemnych rozp

ó

ó

r kopu

r kopu

ł

ł

y bywa na og

y bywa na og

ó

ó

ł

ł

du

du

ż

ż

y ze

y ze

wzgl

wzgl

ę

ę

du na znaczne obci

du na znaczne obci

ąż

ąż

enie (grunt nasypowy, obci

enie (grunt nasypowy, obci

ąż

ąż

enie

enie

u

u

ż

ż

ytkowe naziomu) oraz z uwagi na najcz

ytkowe naziomu) oraz z uwagi na najcz

ęś

ęś

ciej stosowany

ciej stosowany

p

p

ł

ł

aski kszta

aski kszta

ł

ł

t kopu

t kopu

ł

ł

y.

y.

Przy tego rodzaju po

Przy tego rodzaju po

łą

łą

czeniu ze

czeniu ze

ś

ś

cianami bocznymi przyjmuje

cianami bocznymi przyjmuje

si

si

ę

ę

,

,

ż

ż

e przekrycie kopu

e przekrycie kopu

ł

ł

owe pracuje niezale

owe pracuje niezale

ż

ż

nie od cylindrycznej

nie od cylindrycznej

cz

cz

ęś

ęś

ci zbiornika, przekazuj

ci zbiornika, przekazuj

ą

ą

c na ni

c na ni

ą

ą

jedynie pionow

jedynie pionow

ą

ą

reakcj

reakcj

ę

ę

jako sk

jako sk

ł

ł

adow

adow

ą

ą

pionow

pionow

ą

ą

si

si

ł

ł

y po

y po

ł

ł

udnikowej kopu

udnikowej kopu

ł

ł

y przy wie

y przy wie

ń

ń

cu;

cu;

sk

sk

ł

ł

adowa pozioma tej si

adowa pozioma tej si

ł

ł

y oddzia

y oddzia

ł

ł

uje tu na wieniec,

uje tu na wieniec,

w kt

w kt

ó

ó

rym pow

rym pow

ł

ł

oka jest spr

oka jest spr

ęż

ęż

y

y

ś

ś

cie zamocowana, oraz za jego

cie zamocowana, oraz za jego

po

po

ś

ś

rednictwem i na kopu

rednictwem i na kopu

łę

łę

.

.

Aby zmniejszy

Aby zmniejszy

ć

ć

ten wp

ten wp

ł

ł

yw wie

yw wie

ń

ń

ca na pow

ca na pow

ł

ł

ok

ok

ę

ę

, stosuje si

, stosuje si

ę

ę

cz

cz

ę

ę

sto

sto

jego spr

jego spr

ęż

ęż

anie.

anie.

Kopu

Kopu

ł

ł

a mo

a mo

ż

ż

e by

e by

ć

ć

r

r

ó

ó

wnie

wnie

ż

ż

monolitycznie po

monolitycznie po

łą

łą

czona ze

czona ze

ś

ś

cianami

cianami

cylindrycznej cz

cylindrycznej cz

ęś

ęś

ci zbiornika za pomoc

ci zbiornika za pomoc

ą

ą

wie

wie

ń

ń

ca ukrytego, b

ca ukrytego, b

ą

ą

d

d

ź

ź

bez niego.

bez niego.

Sposoby podparcia przekrycia kopułowego

na ścianie cylindrycznej

a) za pomocą wieńca wydzielonego,

b) za pomocą wieńca ukrytego,

c) bez wieńca

Zbiorniki podziemne, a wody gruntowe

W zbiornikach podziemnych, posadowionych na
gruncie o wysokim poziomie wód gruntowych, rzadziej
stosuje się przekrycia cienkościenne, gdyż wobec
braku podparcia dna wewnątrz przestrzeni użytkowej
wypór wody wywołuje nieraz znaczne momenty
zginające w płycie dennej. W tych przypadkach
bardziej racjonalne są:

‰

przekrycia płytowo-żebrowe,

‰

stropy grzybkowe, bądź też

‰

zbiorniki o kształtach specjalnych, jak:

– torusy koliste,
– eliptyczne, czy
– zbiorniki dwukopułowe.

Ściany boczne zbiorników

Ścianami bocznymi zbiorników są najczęściej powłoki
cylindryczne.
W niskich zbiornikach przyjmuje się stałą ich grubość na całej
wysokości,
w wyższych natomiast poszerza się je od góry liniowo ku dołowi,
bądź poszerzenie to wykonuje się tylko w dolnej ich części.
Oparcie ścian cylindrycznych na konstrukcji dennej może być
monolityczne bądź przegubowe, rzadziej przegubowo-
przesuwne (np. przy sprężonych ścianach prefabrykowanych).
Ściany te w zbiornikach podziemnych
‰

mogą współpracować z konstrukcją denną lub

‰

mogą być oddzielone od bocznych ścian (lub ich

fundamentu) szczeliną dylatacyjną, opierając się
bezpośrednio na gruncie poprzez ławy pierścieniowe.

W przypadku monolitycznego połączenia ścian

bocznych z konstrukcją denną oparcie to

zazwyczaj ma warunki zamocowania

sprężystego (częściowego), natomiast przy

nieodkształcalnej konstrukcji dennej (np. duży

przekrój ławy fundamentowej) - zamocowania

pełnego.

Płytowe dna zbiorników podziemnych, są na
ogół płaskie.

Gdy wysoki poziom wody gruntowej powoduje
powstawanie dużych momentów zginających w płaskiej
płycie dennej, rozpiętość jej można zmniejszyć przez
zastosowanie np. ścian bocznych, składających się z
dwóch części - walcowej i stożkowej.

Można także wykonać dno w kształcie sklepień bądź
cylindrycznych odwróconych lub odwróconej kopuły.

Gdy grunt, na którym posadawia się zbiornik, ma
odpowiednią nośność, wówczas przy braku wody
gruntowej najlepiej jest wykonać pierścieniowy
fundament, a płytę denną oddylatować całkowicie od
konstrukcji zbiornika.

Trzy rozwiązania prefabrykowanego przekrycia zbiorników

a) z płyt panwiowych na podciągach sprężonych,
b) z dużych płyt opartych na słupach,
c) z dużych płyt opartych na słupach z głowicą

Sposoby zbrojenia ścian zbiorników prostokątnych

a), b), c), d), e), f) przekroje poziome,

g) przekrój pionowy

Sposoby połączenia ścian z dnem w zbiornikach

wykonanych: a) na mokro,

b) z prefabrykatów

Czterokomorowy zbiornik
podziemny z dnem i
przekryciem z łupin
klasztornych

Sposoby wykonania płyty

dennej:

a) z oparciem słupów na

rozdzielonych płytach

b) z ukształtowaniem dna

w postaci niecki

Dylatacje i sposoby posadowienia

Ważną sprawą dla konstrukcji zbiorników jest prawidłowe

rozmieszczenie dylatacji.

Zbiorniki małe nie wymagają przerw, natomiast większe, ze

względu na skurcz i zmiany temperatury, powinny być
zdylatowane.

Ponieważ szczeliny dylatacyjne są trudne do uszczelnienia,

wskazane jest ograniczanie ich liczby i długości.

Stosujemy dwojakiego rodzaju przerwy:

‰

przerwy konstrukcyjne, które pozostają kilka miesięcy otwarte
i których zadaniem jest niwelowanie znacznego skurczu
betonu oraz znacznych wahań temperatury przy
nieprzykrytym i nienapełnionym zbiorniku, oraz

‰

przerwy dylatacyjne stałe, rozstawione w większych
odległościach.

A

Między przerwami konstrukcyjnymi zaleca się

rozstaw nie większy niż 12m.
Płytę denną dzieli się gęściej nawet, co 5 m.
Dobrym rozwiązaniem jest wykonanie dna w dwóch

warstwach płyt o grubości 10 cm, rozdzielonych np.
papierem bitumicznym; szczeliny warstwy górnej i

dolnej mijają się.

Odległość pomiędzy stałymi przerwami dylatacyjnymi

nie powinna być większa od 40m, oczywiście, jeżeli

przy tym zastosowano czasowe przerwy

konstrukcyjne.
Szerokość szczeliny dylatacyjnej wynosi od kilku

milimetrów do kilku centymetrów.

Przykłady konstrukcji zbiorników

Podziemny zbiornik na wodę trójkomorowy

Schemat ogólny zbiornika o pojemności 6000 m

3

o

grzybkowej konstrukcji płyty przekrycia i płyty dennej

Szczegóły szczelin dylatacyjnych zbiornika

a) dylatacja między płytą a pierścieniem b) dylatacja dna

fundamentowym ściany,

Szczegóły szczelin dylatacyjnych zbiornika

Przerwa dylatacyjna

1 - beton,

2 - wkładka z blachy,

3 - wypełnienie asfaltem,

4 - blacha

Szczegóły szczelin dylatacyjnych zbiornika

Wkładka elastyczna do uszczelniania

dylatacji w zbiornikach żelbetowych