Korozja grudzic i pali stalowych w ujęciu PN-EN 1993-5.pdf

GEOTECHNIKA

NB BI

Eurokod 3 jako narzędzie ułatwiające projektowanie ścianek szczelnych i pali stalowych

Korozja grodzic i pali stalowych

w ujęciu PN-EN 1993-5:2007 (U)

Paweł Kwarciński 1

Przyczółki wiaduktu kolejowego z grodzic AZ50 w Swarzędzu

Grodzice stalowe są coraz częściej wykorzystywane jako stałe

elementy konstrukcyjne w budownictwie lądowym. Wykonuje

się z nich przyczółki wiaduktów, ściany oporowe i parkingi pod-

ziemne. Możliwość pośredniego posadowienia obiektów dają

również pale stalowe, o takich samych grubościach półek i środ-

nika, wykonane ze specjalnych dwuteowników HP.

Aspektem budzący m zawsze najw ięcej obaw wśród projektan-

tów, decydujących się na rozwiązania oparte na grodzicach lub

palach stalowych, była korozja stali w środowisku gruntowym

i wodnym. Brakowało narzędzia ułatwiającego poruszanie się

w tej materii. Sytuacja zmieniła się w marcu 2007 r., gdy opu-

blikowano normę uznaniową PN-EN 1993-5:2007 (U) Eurokod

3 – Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 5: Palowanie

i grodze .

Prędkość korozji jest uzależniona m.in. od obecności wody i tlenu

oraz od agresywności środowiska.

Korozja przebiega najszybciej w początkowym okresie użyt-

kowania konstrukcji. Z czasem, w miarę osadzania się na po-

wierzchni stali warstwy produktów korozji, która zmniejsza

stopniowo prędkość przenikania tlenu do powierzchni stali,

dochodzi do spowolnienia tempa korozji.

Wpływ tych wszystkich czynników na tempo korozji znalazł

odzwierciedlenie w tabelach będących fragmentem PN-EN 1993-

5:2007 (U) – tablica 1 i 2. Zalecane wielkości ubytków korozyj-

nych zostały opracowane na podstawie badań na rzeczywistych

konstrukcjach po 5 i po 25 latach użytkowania. Natomiast wiel-

kości ubytków po 50, 75 i 100 latach zostały ekstrapolowane.

Poniższe dane mają charakter zaleceń i w przypadku ryzyka

występowania zanieczyszczeń gruntu lub wody muszą zostać

zwery kowane.

Tab. 1. Zalecane wartości ubytków grubości [mm] wskutek korozji pali lub grodzic

w gruncie suchym lub nawodnionym (ubytki z jednej strony)

Wymagany projektowy okres

użytkowania

5 lat

25 lat

50 lat

75 lat

100 lat

Nienaruszony grunt rodzimy

(piasek, pył, ił, łupek itp.)

0,00

0,30

0,60

0,90

1,20

Skażony grunt rodzimy i teren

przemysłowy

0,15

0,75

1,50

2,25

3,00

Agresywny grunt rodzimy

(gytie, namuły, torf itp.)

0,20

1,00

1,75

2,50

3,25

Ryc. 1. Ściana oporowa z grodzic AU20 – metro w Kopenhadze

Niezagęszczone* i nieagresyw-

ne nasypy (ił, łupek, piasek,

pył itp.)

0,18

0,70

1,20

1,70

2,20

Ubytki korozyjne wg PN-EN 1993-5:2007 (U)

Za zmniejszanie się grubości stali w środowisku wodnym

i gruntowym odpowiedzialna jest korozja elektrochemiczna. Po-

wstaje ona w wyniku działania na powierzchni stali mikroogniw

galwanicznych, w których elektrolitem jest woda, a czynnikiem

umożliwiającym pracę ogniw – tlen rozpuszczony w elektrolicie.

Niezagęszczone* i agresywne

nasypy (popiół, żużel, itp.)

0,50

2,00

3,25

4,50

5,75

* ubytek korozyjny w nasypach zagęszczonych jest dwukrotnie mniejszy niż w nie-

zagęszczonych

1 Mgr inż., ArcelorMittal Commercial Long Polska Sp z o.o.

Można przyjąć, że wielkości ubytków korozyjnych stali ponad

powierzchnią terenu lub ponad strefą działania wody wynoszą:

Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne Maj – Czerwiec 2009

N N B

w ujęciu PN-EN 1993-5:2007 (U)

Tab. 2. Zalecane wartości ubytków grubości [mm] wskutek korozji pali lub grodzic

w wodzie słodkiej lub morskiej (ubytki z jednej strony)

Wymagany projektowy okres

użytkowania

a przy zastosowaniu stali trójskładnikowych (np. stal A690 – ASTM

z domieszkami niklu, fosforu i miedzi) nawet trzykrotnie [3].

5 lat

25 lat

50 lat

75 lat

100 lat

Projektowanie z uwzględnianiem ubytków korozyjnych

Norma [3] zaleca, aby w SGN i SGU brać pod uwagę wpływ

korozji na pogarszanie się parametrów geometrycznych przekroju.

Zalecenie to nie dotyczy konstrukcji, których okres użytkowania

jest krótszy niż cztery lata.

W trakcie projektowania należy uwzględnić fakt, że wielko-

ści ubytków korozyjnych mogą być różne na wysokości ścianki.

W przypadku stalowej ścianki szczelnej poddanej zginaniu na-

leży porównać obwiednie momentów zginających i obwiednie

wskaźników wytrzymałości po projektowanym okresie użytko-

wania konstrukcji. Takie podejście do kwestii korozji prowadzi do

bardziej ekonomicznego projektowania, gdyż w wielu sytuacjach

obliczeniowych największe momenty zginające nie występują

w miejscach najszybszej korozji.

Znając tempo korozji, okres użytkowania konstrukcji oraz wy-

magane dla projektowanych elementów minimalne parametry

geometryczne przekroju, należy – korzystając ze specjalnie przy-

gotowanych wykresów – dobrać pro l spełniający te wymagania

przy danym ubytku korozyjnym. Przedstawiony na rycinie 2

przykład ilustruje, jak w funkcji ubytku korozyjnego zmieniają

się wskaźniki wytrzymałości różnych grodzic. Podobne wykresy

umożliwiają odczytanie zmian w wielkości momentów bezwład-

ności i polu przekroju poprzecznego pro lów.

Zwykła słodka woda (rzeka, kanał

itp.) w streﬁ e nurtu (na linii wodnej)

0,15

0,55

0,90

1,15

1,40

Bardzo skażona słodka woda (ściek,

wyciek przemysłowy itp.) w streﬁ e

nurtu (na linii wodnej)

0,30

1,30

2,30

3,30

4,30

Woda morska w klimacie umiarko-

wanym, w streﬁ e silnego napływu

(strefy niskiej wody i rozbryzgu)

0,55

1,90

3,75

5,60

7,50

Woda morska w klimacie umiarkowa-

nym, w streﬁ e stałego zanurzenia lub

w streﬁ e pływów

0,25

0,90

1,75

2,60

3,50

w atmosferze normalnej 0,01 mm rocznie, w atmosferze morskiej

0,02 mm rocznie.

W przypadku, gdy w pobliżu projektowanej konstrukcji znajdują

się słabo izolowane przewody prądu stałego (np. linie kolejowe

lub tramwajowe), należy zwrócić szczególną uwagę na ryzyko

występowania prądów błądzących w gruncie.

Sposoby przedłużania żywotności konstrukcji

PN-EN 1993-5:2007 (U) [2] dopuszcza zastosowanie nastę-

pujących środków przedłużających żywotność grodzic lub pali

stalowych:

naddatki grubości stali ze względu na korozję – jedno z naj-

❑ popularniejszych rozwiązań polegające na dobraniu profilu

o odpowiednio większych parametrach geometrycznych prze-

kroju, czyli na poświęceniu pewnej grubości stali na ubytek

korozyjny,

dodatkową rezerwę nośności – zdecydowanie najtańsze roz-

❑ wiązanie, polegające na dobraniu profilu w wyższym gatunku

stali; nie można go jednak stosować w sytuacji, gdy o doborze

profilu decyduje moment bezwładności,

powłoki ochronne – nałożenie powłok malarskich lub cyn-

❑ kowanie odcina dopływ wody i tlenu do stali; malowanie

jest bardzo często podyktowane względami estetycznymi,

w przypadku konstrukcji hydrotechnicznych malowane są

zwykle fragmenty ścinaki w strefach największej korozji,

ochronę katodową – częste rozwiązanie w budownictwie

Ryc. 2. Zmiany wskaźnika wytrzymałości grodzic w funkcji zmniejszania się ich

grubości

❑ morskim,

beton, zaprawę lub natrysk cementowy w strefie intensyw-

Przez wiele lat na temat tempa korozji stali w środowisku grun-

towym i wodnym powstało wiele błędnych opinii. Opublikowany

Eurokod 3 – część 5 obala te mity, dostarczając jednocześnie na-

rzędzie umożliwiające bardziej ekonomiczne i bezpieczniejsze

projektowanie ścianek szczelnych i pali stalowych.

Szerokim zakresem wiedzy o korozji stali zawsze dysponowali

projektanci konstrukcji morskich, dzięki czemu wiele nabrzeży

portowych jest wykonywanych w technologii stalowych ścianek

szczelnych. Wraz z nowym Eurokodem wiedza ta jest dostępna

dla szerszego grona projektantów, co z pewnością przyczyni się

do powszechniejszego stosowania grodzic i pali stalowych w bu-

downictwie lądowym.

❑ nej korozji – rozwiązanie powszechnie stosowane np. przy

budowie nabrzeży, gdy oczep betonowy zwieńcza ściankę

szczelną w strefie największej korozji, schodząc minimum

0,5 m poniżej linii wody,

kombinacje powyższych rozwiązań.

Opisywana norma w żaden sposób nie odnosi się do możliwości

przedłużenia żywotności przez zastosowanie stali o zmienionym

składzie chemicznym. Warto jednak poruszyć ten temat, gdyż

Polska Norma PN-EN 10248:1999 [1] dopuszcza stosowanie stali

z domieszką miedzi w przedziałach 0,2–0,35% oraz 0,35–0,5%

składu chemicznego stali.

Należy pamiętać, że stosowanie stali niskostopowych nie wpływa

na zmniejszenie tempa korozji pod wodą lub w gruncie, ponieważ

w takim środowisku na powierzchni stali nie ma odpowiednich

warunków dla wytworzenia się warstwy ochronnej z produktów

korozji (np. patyny). Natomiast stosowanie stali niskostopowych

z domieszką miedzi powyżej linii wody, w stre e rozbryzgów lub

zmiennego falowania, spowalnia tempo korozji półtorakrotnie,

Literatura

PN-EN 10248:1999

Grodzice walcowane na gorąco ze stali nie-

Projektowanie konstruk-

cji stalowych. Część 5: Palowanie i grodze .

Designation: A 690/A 690M – 00a:

Standard Specification for

High-Strength Low-Alloy Steel H-Piles and Sheet Piling for Use

in Marine Environments .

Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne Maj – Czerwiec 2009

stopowych .

PN-EN 1993-5:2007 (U) Eurokod 3 –

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: