Microsoft Word - ANA slowak VERSION.doc

Prepis

1 Dilatačný vyrovnávací systém pre rôzne kryty šácht na úrovni zemského povrchu (DI Dr. Egon Haar) Krátke zhrnutie: Nasledujúca zpráva poukazuje na možnosti riešenia často sa vyskytujúceho problému rozrušovania asfaltového koberca u cestných stavieb v okolí šácht (kanálových uzáverov). Zaoberá sa príčinami, konštrukčným riešením, voľbou materiálov, testovacími fázami a ich výsledkami, ale aj hospodárskymi dôsledkami. Vymedzenie problému Už krátko po dokončení cesty sa v okolí šachtových krytov objavujú prvé porušenia asfaltového povrchu. Poruchy sa prejavujú zo začiatku najčastejšie malými prasklinami asfaltu okolo telesa krytu šachtového uzáveru. Tieto praskliny sa v krátkej dobe zvätšujú a vytvárajú sieťovú štruktúru, ktorá vedie k deformácii povrchu cesty. Obr. 1 Obr. 2

2 Koľko je takýchto šácht a kde sa nachádzajú? Podľa štatistiky Inštitútu pre podzemnú infraštruktúru (IKT) v Gelsenkirchene, je v Nemecku približne 10 miliónov šácht. Vztiahnuté na Rakúsko, môžeme z tohoto základu odvodiť zhruba 1 milión šácht. (laickým odhadom pre Slovensko to môže byť cca 0,5 milióna) IKT vypočítal, že pre sanáciu týchto šachiet v nasledujúcich rokoch bude potrebných okolo 5,3 miliárd Euro. Pre sanáciu asfeltového okolia šácht, podľa našich výpočtov, sa dá počítať z čiastkou zhruba 10-15% z tejto sumy. Podľa štatistického výskumu sa zhruba 70% šácht nachádza na cestách, z toho je 53% v obciach a 17% na zostávajúcej cestnej sieti. Pokiaľ zvážime vlastnícku štruktúru, je zhruba 70% vo vlastníctve obcí, 20% patrí vodárenským a kanalizačným spoločnostiam a zhruba 10% sú vo vlstníctve iných právnych subjektov. To znamená, že hlavné investičné zaťaženie spojené so sanáciou je v kompetencii obcí. Tu vzniká značný potenciál úspor, pokiaľ by nejaké technické riešenie vyriešilo tento problém. Štatistika škôd na rôznych komunikáciách V rámci našich rozsiahlych priezkumov bolo zistené, že poškodenie cestného povrchu v okolí krytov šácht je závislé nielen od veku vozovky a klimatických podmienok, ale aj od kvality stavebného prevedenia a obzvlášť od prevádzkového zaťaženia komunikácie. Obr. 3 Z obrázku je možné vyčítať, že u komunikácií s ťažkotonážnou dopravou (38 t), ako napríklad prejazdy obcami, vznikajú poruchy asfaltového povrchu u šachtových uzáverov už po prvom roku prevádzky (30%). Po troch rokoch prevádzky sa obraz škôd ešte viac zhoršuje len niečo cez 20% z povrchov okolia šácht sa dá označiť za nenarušené. Cez 50% by malo byť sanovaných, ale takmer 60% sanovaných miest je potrebných opäť opravovať. Komunikácie s malým zaťažením (bez ťažkotonážnej dopravy), ako napríklad v obytných oblastiach, vykazuje po 13 rokoch len 50 % poškodenia. Sanačné optarenia však nemajú trvalejší úspech. Výzkum dokazuje, že aj autobusová doprava spôsobuje veľké poruchy komunikácií v uvedených oblastiach. 2

3 Dôsledky: Kalkulácie z prieskumu ukazujú, že sanačné náklady za jednu šachtu sa pohybujú medzi cca 160 až 415 Euro. V tejto cene sú zahrnuté: rezanie asfaltu, zemné práce, stroje, materiál a pracovný čas. Táto ťiastka sa najčastejšie pohybuje okolo 290 Euro. K týmto značným finančným škodám je treba pripočítať ešte neskúmané škody na vozidlách snehovej údržby, ako aj na normálnych autách, ale aj hlukový faktor a vznik kaluží atď. Prečo dochádza k poškodeniu? V súčasnosti použávaná konštrukcia má tuhé spojenie šachty s telesom krytu (obr.4) Ku vzniku trhlín v okolí napojenia šachty na asfalt dochádza vplyvom pnutia medzi tuhým napojením šachty na okolie pri procesoch dvíhania a klesania (napr. mráz/odmek, sadanie) jej samotného okolia. Cez tieto trhliny vniká voda, ktorá obzvlášť v zime urýchľuje deštrukčný proces. Povrch tým stráca požadovanú nosnosť. Obr. 4 Vznikajú tu relatívne posuny vo forme poklasov a zdvihov medzi šachtou a kanalizačným krytom. Príčiny sú v nekontrolovaných kompresiách spôsobených prevádzkou na komunikácii a striedanie období mráz odmek (dochádza k zmenám objemu) 3

4 Zmeny výšky európskej cesty Obr. 5 Rada meraní preukázala, že v priebehu dňa môžu pohyby spôsobené mrazom a následným odmekom činiť až 3mm (obr.5). Pritom sa ukázalo, že teploty vo vnútry šachty sotva kedy klesli pod bod mrazu. Je to dané teplotou odtokových vôd, ktorá je väčšinou nad bodom mrazu. K výškovým posunom dochádza od povrchu komunikácie, ktorý je vystevený najväčším teplotným rozdielom, až po dosiahnutie hranice zámrznej hĺbky v cca 1,2m. Hlavným dôvodom týchto pohybov sú zmeny objemu vody obsiahnutej v pôde pri zmene skupenstva vody z tekutého do pevného stavu (ľad). Čím je väčšia vlhkosť v cestnej štruktúre, tým sú väčšie výškové zmeny. Týmto spôsobom je tuhý povrch vozovky tak dlho chladom namáhaný, až dochádza k jeho prasknutiu. Pretože asfalt je za nízkych teplôt obzvlášť citlivý na ťahové napätie, dochádza k tvorbe prasklín najčastejšie v zimnom období. Preukázateľne sa jedná o jednu z hlavných príčin poškodzovania asfaltového povrchu v okolí krycích telies kanalizačných šácht. Ďalej je logické, že prasklinami vniká do pôdnej štruktúry viac vlhkosti, čím sa deštrukčný proces ešte urýchľuje. Možné riešenie: Ako vývojový krok k systému, ktorý by dokázal tieto chyby eliminovať, bola stanovená premena tuhého spojenia na pohyblivé. Pritom tento systém musí vyrovnávať predovšetkým vertikálne pohyby povrchu komunikácie, čo obvykle tradičná konštrukcia vozovky neumožňuje. 4

5 Zásadná úvaha a prvý model: Ako vhodný element bol do prieskumu pre túto úlohu zahrnutý teleskop. K prenosu síl, ktoré teleskop potrebuje k vyrovnávaniu vertikálnych pohybov bola medzi pôdnu štruktúru a asfaltovú vrstvu uložená vlečná doska. V tejto prvej konštrukcii bola za model pre výpočty vznikajúcich ťahových napätí zvolená plochá vlečná doska (obr.6). Obr. 6 Priebej vývoja: Aby sa vyskúšali realizačné možnosti počiatočných ídeí, bola s Centrom pre aplikované technológie v Leobene (ďalej len a.p.e.) vyhotovený prieskum realizovateľnosti (Feasibility-Studie). V tejto štúdii bola perskúmaná nielen realizovateľnosť, ale na základe potrebných požiadaviek aj rôzne koncepčné varianty. Štúdia zahrňuje: Vývoj konceptu, Konštrukcie a simulácie (obr.7) Koncepty a ich posúdenie Prvé konštrukcie Varianty geometrie, materiál a záťažové podmienky Simulácie a optimalizácie konštrukcie Anylýzi pnutí pri rôznych záťažových podmienkach Obr. 7 5

6 Taktiež voľba materiálov zohľadňovala ich zaťažiteľnosť počas výstavby a následnej prevádzke. V rámci výberu a skúšok materiálov boli vyhotovené prototypy so zabudovanými čidlami na skúšky stavebných dielov (obr.8 a 9). Obr. 8 Obr. 9 Pritom použitý materiál musel vykazovať vysokú odolnosť proti veľkým teplotným výkyvom (pri zabudovávaní teplote asfaltu cca 190 C a v zime až -30 C) a proti chemickým vplyvom. Nakoniec použitý materiál musel zaručovať vysoké harmonické vyrovnávanie pnutí, ako aj odolnosť voči trvalému vibračnému zaťaženiu. Ako materiál pre túto dosku bol zvolený GFK (plastická hmota spevnená sklennými vláknami) so zvláštnymi živicami, ktorý vyhovoval vytýčeným požiadavkám. Podľa výpočtov a pokusov sa dá usudzovať životnosť konštrukcie na viac, ako 25 rokov. Pevný element je zhotovený z bežnej GFK trubky. Membrána je zo štandardnej gumy. Detailná konštrukcia bola optimalizovaná rôznymi simulaťnými modelmi. Optimalizácie oproti prvej variante (obr.10) priniesla popri redukcii váhy o 50% aj zmenu konštrukcie. Na základe výpočtov a výsledkov meraní bol zmenený tvar dosky z plochej na lomenú. To prinieslo popri jednoduchšom zabudovaní aj prenos síl z pôvodného základu dosky s odstupom ďalej od obvodu šachty. Práve táto pôvodná zóna je pri tradičnom stavebnom spôsobe obzvlášť náchylná k chybám utesnenia. 6

7 Obr. 10 Vlečná doska nie je gumovou membránou na tesno spojená s teleskopom (varianta pre novostavbu), resp. so šachtou (sanačná varianta). To vedie k prerušeniu väzby šachty od šachtového krytu. Toto prinieslo overenie konečných výsledkov v následných simulačných krokoch, ktoré nie je obmedzené len na kruhové šachty, ale aj na kvadratické. Popri výpočtoch a pokusoch bol tento systém od prvotnej konštrukcie až po konečnú variantu podrobený taktiež intenzívnym praktickým skúškam v dopravnej simulácii pomocou silného hydraulického lisu (80t) (obr.11) a skúšaný niekoľko rokov na rôznych typoch komunikácií s rozdielnym zaťažením prevádzky (obr.12). Výsledky praktických skúšok ukazujú, že všetky očakávania boli splnené. Obr. 11 Obr. 12 7

8 Hospodárske výhody Dilatačného vyrovnávacieho systému Pokiaľ porovnáme náklady tradičného a nového systému, tak sa ukazuje, že úvodná investícia do nového systému je v relácii k výnosu len nepatrne vyššia. Pri istote, že už po relatívne krátkom čase vzniknú u tradičného systému značné investécie na sanácie, ktoré sa väčšinou opakujú, tak sa dá počítať s tým, že strednodobé a dlhodobé investície do súčasného systému značne prevyšujú náklady nového systému. Aby sme mohli s vysokou istotou odhadnúť rozdiel oboch systémov, vytvorili sme model, ktorý sa na jednej strane opiera o overené údaje a na strane druhej počíta s opatrnými predpokladmi. Výsledok týchto výpočtov znázorňuje obr.13. Porovnaie nákladov nového dilatačného systému s tradičným v časovom rámci 30 rokov ( na jednu šachtu). Obr.13 Po počiatočných vyšších nákladoch je už po 4-5 rokoch ANA-systém lacnejší. Táto nákladová výhoda je s časom výraznejšia Z diagramu je zrejmé, že už po prvej sanácii bežného systému sú počiatočné vyššie náklady na dilatačný systém prekročené. Takto, za predpokladu životnosti komunikácie 25 rokov, vystúpnu vyššie náklady na šesť až desaťnásobok. Pre uľahčenie počiatočných vyšších investičných nákladov u obcí je taktiež ponúkaný model financovania. Návratovosť je tu šesťročná a po tejto dobe prechádza do vlastníctva obce. Týmto spôspbom má každý investor okamžitú výhodu využitia technicky a strategicky výhodnejšieho systému. Projekt na realizáciu dilatačného systému je taktiež podporovaný Fondom podpory výskumu rakúskej spolkovej vlády. V roku 1998 bol tento vývoj Dr.Egona Haara a Ing. Ernsta Hackenbergera prihlásený k patentovaniu, tento patent bol udelený medzinárodným Patentovým úradom v roku Sériová výroba ANA-systému bola zahájená (obr.14) 8

9 Obr. 14 Na IFAT v Mníchove, najväčšej medzinárodnej výstave v oblasti životného prostredia a likvidácie odpadov, bol dilatačný vyrovnávací systém prvýkrát predstavený internacionálnej verejnosti. Pritom vzbudil záujem nielen na európskom kontinente, ale aj v USA, Kanade, Austrálii, Hongkongu a Izraeli. Na svetovej výstave pre inovácie, výskum a nové technológie Eureka v Bruseli, boli medzi viac ako 600 vystavovateľmi vynálezcovia dilatašného vyrovnávacieho systému ocenení Grand Prix de Innovation 2002, zlatou medajlou pre vynálezcov a belgickým rádom pre vynálezcov. V Rakúsku je dilatačný systém použitý v najrôznejších nových i sanovaných komunikáciách už po niekoľko rokov. K všeobecnej spokojnosti vykazuje odolnosť ako voči vplyvom počasia, tak aj dopravy. V súčasnosti sú ponúkané nasledovné systémy: teleskop s doskou pre kruhovú šachtu k sanácii teleskop s doskou pre hranatú šachtu k sanácii doska s rozťahovacím elementov pre kruhovú šachtu k sanácii doska priamo na hranatú šactu teleskop s doskou pre kruhovú šachtu do novostavby Judenburg, apríl 2007 Literatura: Institut für unterirdische Infrastruktur Gelsenkirchen; Newsletter 2001 Dipl.-Ing. R. Haffelner; Dipl.-Ing. Dr.mont. B. Mlekusch; ape advanced polymer engeneering; Kunststofftechnik im Verkehrswegebau; Dilatationssystem für Kanalschächte und Schachtdeckel; VKL-NEWS, Zeitschrift des Verbandes Leobner Kunststofftechniker 2/2002, Seite 6ff Ing. Ernst Hackenberg; Dipl.-Ing. R. Hafellner; Dipl.-Ing. Dr.mont. B. Mlekusch, Dipl.- Ing. Dr.mont. E. Haar; Präsentations CD für das ANA-System; Version Mai 2002 Ing. G. Ledineg; Faszl Kunststoffindustrie Ges.m.b.H.; Produktinformation ANA, Mai