Prefabrykaty betonowe w budownictwie ogólnym i elektroenergetyce

Wykorzystanie prefabrykatów betonowych w budownictwie jest bardzo szerokie, co wiąże się z możliwością kształtowania w niestandardowy sposób konstrukcji, formy przestrzennej i estetyki. Prefabrykaty betonowe znajdują zastosowanie praktycznie w każdym rodzaju budownictwa.

Prefabrykaty betonowe w budownictwie ogólnym

Prefabrykaty betonowe pozwalają realizować obiekty zgodnie z wizją architektów oraz oczekiwaniami inwestorów i użytkowników. Elementy prefabrykowane znajdują powszechne zastosowanie w budownictwie publicznym, przemysłowym, infrastrukturalnym oraz coraz częściej mieszkaniowym.

Niestandardowe rozwiązania w prefabrykacji używane są także w zakresie konstrukcji nośnej obiektów przemysłowych, m.in. hal przemysłowych, a także elementów liniowych i konstrukcyjnych obiektów elektroenergetycznych. Stosowanie tego rodzaju technik budowania związane jest z licznymi korzyściami techniczno-ekonomicznymi, takimi jak:

• szybkie wznoszenie obiektów z prefabrykatów (dominacja montażu nad robotami „mokrymi” na budowie),
• możliwość optymalizacji jakości, zapotrzebowania materiałowego i energochłonności wytwarzania w warunkach powtarzalnej, certyfikowanej produkcji fabrycznej w przeciwieństwie do technologii monolitycznych (znacznie bardziej podlegających wpływom losowym),
• znaczne uniezależnienie prowadzenia robót od warunków pogodowych,
• wyeliminowanie najsłabszych stron „starej” prefabrykacji – nowoczesne, trwałe złącza, elastyczne systemy uwzględniające wysokie wymagania estetyczne,
• kształtowanie indywidualne bryły budynku o zróżnicowanym charakterze i funkcjonalności.

Należy zwrócić jednak uwagę, że niektóre dziedziny budownictwa praktycznie całkowicie zdominowane są przez prefabrykację betonową. Sytuacja taka dotyczy głównie budownictwa infrastrukturalnego (powtarzalne betonowe elementy kanalizacji i sieci elektroenergetycznych) z uwagi na brak racjonalności wykonywania elementów składowych bezpośrednio w miejscu wbudowania – co prawda takie rozwiązanie jest technicznie możliwe, ale z pewnością trudne do wyobrażenia przy obecnych uwarunkowaniach ekonomicznych.

Prefabrykaty betonowe - budownictwo elektroenergetyczne

Ze względu na strategiczne znaczenie dla rozwoju kraju szczególnie ważną dziedzinę budownictwa stanowią obiekty oraz infrastruktura elektroenergetyczna.

Energetyka to gałąź przemysłu zajmująca się przetwarzaniem dostępnych form energii na postać łatwą do wykorzystania w życiu codziennym przy zasilaniu procesów przemysłowych, a także napędzaniu maszyn i urządzeń. Energetyka obejmuje dostarczanie energii w podstawowych dwóch postaciach: elektrycznej oraz cieplnej.

Przemysł energetyczny składa się z dwóch zasadniczych części:

• miejsc przetwarzania energii (elektrowni, ciepłowni i elektrociepłowni),
• sieci przesyłowych.

Rola budownictwa energetycznego jest więc niezwykle istotna, ponieważ stanowi nie tylko o usprawnieniu procesu wznoszenia obiektów wytwarzania i przesyłu energii, lecz także o zapewnieniu im wymaganego przepisami odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa eksploatacji oraz trwałości. Istotne jest również zagwarantowanie minimalizacji negatywnego oddziaływania inwestycji na środowisko na każdym etapie jej życia technicznego.
Jak wspomniano powyżej, budownictwo energetyczne dotyczy wyspecjalizowanych budowli przemysłowych – takie aplikacje warunkują zastosowanie elementów prefabrykowanych projektowanych na potrzeby tylko i wyłącznie danej budowy (w zakresie geometrii, przenoszonych obciążeń oraz specyficznych warunków użytkowania, takich jak belki, słupy, dźwigary czy płyty), a także elementów składowych sieci dystrybucji, gdzie występuje duża liczba elementów typowych i powtarzalnych.

Przykład wykorzystania zindywidualizowanych elementów dobrze ilustruje realizacja jednej z chłodni kominowych wykonanych w Polsce w ostatnich latach. Jej konstrukcja składa się z trzech podstawowych elementów (oprócz konstrukcji wewnętrznej): fundamentu pierścieniowego, 36 prefabrykowanych żelbetowych słupów radialnie podpierających powłokę żelbetową oraz z samej powłoki żelbetowej. Wysokość płaszcza chłodni to ponad 180 m, natomiast średnica przy podstawie wynosi ponad 100 m.

Monolityczny fundament pierścieniowy ma średnicę zewnętrzną ponad 110, szerokość 6 i wysokość 1,5 m. Na nim równomiernie rozmieszczonych jest 36 prefabrykowanych słupów i łukowych prefabrykowanych belek żelbetowych podtrzymujących konstrukcję powłoki. Elementy te zostały indywidualnie zaprojektowane dokładnie do tej realizacji, a do produkcji elementów
zużyto ponad 2200 m³ mieszanki betonowej oraz 400 ton stali zbrojeniowej.

Rodzaje prefabrykatów betonowych w elektroenergetyce

W budownictwie elektroenergetycznym, ze względu na zasięg infrastruktury, prefabrykaty wykorzystuje się głównie do wykonywania linii elektroenergetycznych oraz urządzeń związanych z ich obsługą. Najbardziej oczywistymi jej elementami są szeroko rozumiane konstrukcje słupowe – takie jak słupy (maszty) i żerdzie.
Mogą być realizowane jako elementy żelbetowe lub sprężone, o przekroju stałym lub zmiennym, okrągłym lub o innej geometrii. Są one posadowione na prefabrykowanych fundamentach lub elementach ustrojowych. Słupy wyposaża się często w różne akcesoria umożliwiające montaż, np. trakcji lub elementów oświetleniowych.
Stosuje się je do budowy linii energetycznych niskiego i średniego napięcia lub też jako słupowe stacje transformatorowe, maszty telekomunikacyjne, słupy w liniach trakcji kolejowych i tramwajowych, konstrukcje wsporcze ogólnego przeznaczenia.

Nowoczesne żerdzie wirowane są bardziej uniwersalnym rozwiązaniem i charakteryzują się wyższą jakością. Wytwarza się je z betonu o wyższej klasie wytrzymałości (np. C40/50), niż ma to miejsce w przypadku elementów żelbetowych. Pozwala to nie tylko uzyskać konstrukcje o znacznej wysokości (nawet do 18 m), lecz również wpływa korzystnie na ich trwałość w trudniejszych warunkach eksploatacji [1].

W budownictwie elektroenergetycznym stosowane są także elementy słupowe o dużych wysokościach, tzw. wieże, osiągające nawet ponad 60 m wysokości, wykonywane z segmentów montowanych kolejno na fundamencie płytowym lub pierścieniowym.
Klasyfikacja elementów w budownictwie elektroenergetycznym związana jest z ważnym aspektem, jaki stanowi przeznaczenie elementu do określonego rodzaju realizacji. Te o podobnej funkcji i konstrukcji są optymalizowane z uwzględnieniem ich roli w konkretnej budowli, zarówno pod względem konstrukcyjnym, technologicznym, jak i montażowym. Sprawia to, że elementy konstrukcyjnie i technologicznie podobne mogą się zasadniczo różnić. Z tego powodu najbardziej praktyczna jest klasyfikacja w oparciu o projektowane zastosowanie elementów. W tabeli przedstawiono najczęstsze przykłady użycia prefabrykatów w różnych sektorach budownictwa elektroenergetycznego.

Tab. Zastosowania elementów prefabrykowanych w budownictwie elektroenergetycznym

Wymagania ogólne dla prefabrykatów betonowych

Wytwarzanie w warunkach przemysłowych prefabrykatów betonowych umożliwia uzyskanie wysokiej wydajności przy jednoczesnym zapewnieniu powtarzalności właściwości użytkowych, zgodnych z deklaracją producenta, wymaganą przez Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 305/2011 [3], ustanawiającego zharmonizowane warunki wprowadzenia do obrotu wyrobów budowlanych.

Projektowanie elementów konstrukcji i elementów z betonu regulowane jest przez opracowane na poziomie europejskim Eurokody, które stanowią zestaw norm dotyczących poszczególnych rodzajów rozwiązań oraz ogólnych zasad konstruowania. Projektowanie konstrukcji betonowych zawarte jest w Eurokodach 2 oraz 4, a odniesienia do wymagań dla elementów prefabrykowanych zawarte są normach przedmiotowych ogólnych, jak np. PN-EN 13369:2013 „Wspólne wymagania dla prefabrykatów betonowych” [4], oraz w szczegółowych normach przedmiotowych dotyczących poszczególnych rodzajów elementów.

Zagadnienia materiałowe związane z betonem jako materiałem konstrukcyjnym przywoływane są w odniesieniu do normy PN-EN 206 [5] w zakresie parametrów fizyczno-mechanicznych betonu oraz mieszanki betonowej, jak również szeroko rozumianej trwałości konstrukcji lub elementów, związanej z różnymi oddziaływaniami środowiska (klasy ekspozycji).

Prefabrykaty betonowe - kierunki rozwoju

Rozwoju elementów prefabrykowanych w sensie ogólnym można oczekiwać w obszarze materiałowym, technologicznym oraz użytkowo-funkcjonalnym. Materiałowe aspekty nowości w technologii prefabrykatów związane są z jednej strony z modyfikacjami spoiw tradycyjnych poprzez zastępowanie części ich składników surowcami alternatywnymi, w tym odpadami, produktami ubocznymi i surowcami niskoenergetycznymi, a z drugiej – z próbami tworzenia całkowicie nowych odmian spoiw wpisujących się w kierunki wyznaczane przez szeroko rozumiany zrównoważony rozwój. Poszukiwania nowoczesnych spoiw powinny obejmować kompleksową analizę racjonalności ich stosowania, uwzględniającą nie tylko podstawowe surowce, ale także używane w relatywnie małych ilościach, lecz niezbędne, składniki drugorzędne, których charakterystyki ekologiczne należy również uwzględnić w całkowitym bilansie w odniesieniu do produktu końcowego.
Obiecującym rodzajem spoiw są w tym kontekście geopolimery. Termin ten obejmuje klasę nowoczesnych, nieorganicznych, amorficznych, syntetycznych polimerów – glinokrzemianów o specyficznym składzie i właściwościach. Pozostają one od wielu lat w sferze koncepcyjnej, technologia jest sukcesywnie wdrażana w praktyce budowlanej jako materiał konstrukcyjny lub naprawczy, a ostatnio znajduje również zastosowanie przy produkcji konstrukcyjnych i architektonicznych elementów prefabrykowanych.

Zalety materiału, takie jak trwałość chemiczna, wysoka jakość uzyskiwanej powierzchni oraz atrakcyjne parametry mechaniczne, sprawiają, że można go z powodzeniem wykorzystać także w produkcji prefabrykatów przeznaczonych dla elektroenergetyki. Technologia geopolimerowa może przynieść duże korzyści dla ochrony środowiska naturalnego, ponieważ do produkcji 1 tony tego materiału z surowców naturalnych potrzeba nawet 3,5 razy mniej energii niż przy wytwarzaniu cementu portlandzkiego.
Kierunki technologiczne rozwoju prefabrykatów związane są z innowacjami mającymi na celu usprawnienie procesów wytwarzania. Obejmują one zarówno sterowanie produkcją, takie jak np. zwiększenie automatyzacji, jak również wdrażanie nowych technologii mających na celu obniżenie pracochłonności przy jednoczesnej poprawie jakości gotowych elementów. W prefabrykacji powszechne zastosowanie znajdują nowoczesne domieszki chemiczne oraz różne rodzaje włókien stalowych – z tworzyw sztucznych, szklanych czy też węglowych.

Funkcjonalno-użytkowy postęp obejmuje natomiast działania mające na celu zwiększenie funkcjonalności elementów poprzez dopasowanie ich do zmiennych potrzeb odbiorców (np. umożliwienie montażu dodatkowych akcesoriów na elementach słupowych) lub zmiennych warunków eksploatacji, a także poprawę trwałości wyrobów. Przykładem adaptacji elementów do rosnących wymagań użytkowych jest zastąpienie tradycyjnego kształtu żerdzi trakcji kolejowej rozwiązaniami o przekroju minimalizującym hałas i drgania związane z coraz szybciej poruszającymi się pociągami wysokich prędkości [1]. Zastosowanie żerdzi betonowych pozwala ponadto na ułatwioną budowę linii dzięki małej powierzchni zabudowy wymaganej dla posadowienia słupów, w porównaniu do tradycyjnych przestrzennych konstrukcji wsporczych.

Istotną kwestią jest również montaż elementów – wpływa on na pracochłonność i koszty prowadzenia robót związanych z realizacją linii energetycznych. Nowoczesne rozwiązania połączeń elementów z fundamentami pozwalają na znaczne przyspieszenie prac oraz zwiększenie trwałości połączenia, które często stanowi newralgiczne miejsce w sieci.
Stosowanie betonów o zwartej strukturze materiału (betony wysokich wytrzymałości) pozwala korzystnie poprawiać trwałość elementów narażonych na oddziaływania atmosferyczne.
Dodatkowym zabezpieczeniem wydłużającym ich trwałość mogą być nowoczesne materiały powłokowe lub impregnaty ograniczające negatywny wpływ środowiska.
Warto jest również zwrócić uwagę na możliwości, jakie stwarzają nowoczesne mieszanki betonowe oraz technologie wykonywania form (w tym także z wykorzystaniem druku 3D), dla kształtowania
wyglądu elementów. Pozwala to spojrzeć na elementy infrastruktury przemysłowej w kontekście poprawy ich estetyki i lepszego wpisania w krajobraz otoczenia.

Prefabrykaty betonowe w elektroenergetyce - podsumowanie

Budownictwo elektroenergetyczne jest dziedziną w głównej mierze wykorzystującą elementy prefabrykowane. Z racji zalet, do których należy m.in. łatwość formowania, ekonomika kosztów oraz wysoka trwałość elementów, prefabrykaty betonowe stosowane są bardzo szeroko. W największym stopniu dotyczy to elementów powtarzalnych infrastruktury elektroenergetycznej, lecz również elementów konstrukcyjnych obiektów przemysłowych związanych z produkcją i przetwarzaniem energii. Natomiast rozwój nowych technologii produkcji oraz nowych materiałów budowlanych i chemii budowlanej przekłada się na wzrastającą funkcjonalność i trwałość takich wyrobów prefabrykowanych, przy jednoczesnej dbałości o środowisko naturalne.

Literatura
1. G. Adamczewski, P. Wojciechowski, „Wielkowymiarowe elementy prefabrykowane stosowane w budownictwie infrastrukturalnym”, „Inżynier Budownictwa” 4/2014.
2. G. Adamczewski, P. Wojciechowski, M. Roicki, „Realizacja prefabrykowanej konstrukcji wsporczej powłoki chłodni kominowej elektrowni w Opolu”, konferencja Dni Betonu 2016.
3. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 305/2011 z dnia 9 marca 2011 r. ustanawiające zharmonizowane warunki wprowadzania do obrotu wyrobów budowlanych i uchylające dyrektywę Rady 89/106/EWG.
4. PN-EN 13369:2013 „Wspólne wymagania dla prefabrykatów betonowych”.
5. PN-EN 206:2014 „Beton. Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność”.

dr inż. Grzegorz Adamczewski