Czech Journal of Civil Engineering 2017 2 · The articles published in Czech Journal of Civil Engineering are subject to a double-review procedure ISSN 2336-7148. Czech Journal of

Czech Journal of Civil Engineering

2017 / 2

VĚDECKÝ ČASOPIS OBORU STAVEBNICTVÍ

VEDOUCÍ REDAKTOR / EDITOR-IN-CHIEF

Ing. David Čech

ADRESA REDAKCE / EDITORIAL OFFICE

ScientificJournals.eu Petra Hechta 1574 Rosice 665 01 Česká republika / Czech Republic [email protected] www.scientificjournals.eu +420 732 747 962 Příspěvky do časopisu Czech Journal of Civil Engineering podléhají zdvojenému recenznímu řízení / The articles published in Czech Journal of Civil Engineering are subject to a double-review procedure

ISSN 2336-7148

mailto:@scientificjournals.eu

http://www.scientificjournals.eu

Czech Journal of Civil Engineering 2017 / 2

REDAKČNÍ RADA / EDITORIAL BOARD

VEDOUCÍ REDAKTOR / EDITOR-IN-CHIEF

Ing. David Čech

ZÁSTUPCE VEDOUCÍHO REDAKTORA / DEPUTY EDITOR-IN-CHIEF

Ing. Václav Venkrbec Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební / Brno University of Technology, Faculty of Civil Engineering

ČLENOVÉ / MEMBERS

prof. Andrew S. Chang National Cheng Kung University, Taiwan / National Cheng Kung University, Taiwan

prof. Ing. Jozef Gašparík, Ph.D. Slovenská technická univerzita v Bratislave, Stavebná fakulta / Slovak University of Technology in Bratislava, Faculty of Civil Engineering

prof. Ing. Zdeněk Kala, Ph.D. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební / Brno University of Technology, Faculty of Civil Engineering

prof. Ing. Mária Kozlovská, Ph.D. Technická univerzita v Košiciach, Stavebná fakulta / The Technical University of Košice, Faculty of Civil Engineering

prof. Ing. Juraj Králik, Ph.D. Slovenská technická univerzita v Bratislave, Stavebná fakulta / Slovak University of Technology in Bratislava, Faculty of Civil Engineering

prof. Ing. Alois Materna, CSc., MBA Česká komora autorizovaných inženýrů a techniků / ČKAIT

prof. Ing. Miloslav Novotný, CSc. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební / Brno University of Technology, Faculty of Civil Engineering

prof. Civ. Eng. Doncho Naumov Partov, Ph.D. VSU "Lyuben Karavelov" Sofie, Bulharsko / VSU "Lyuben Karavelov" Sofia, Bulgaria

prof. Ing. Miroslaw J. Skibniewski, Ph.D. University of Maryland, USA / University of Maryland, USA

prof. RNDr. Ing. Petr Štěpánek, CSc., dr.h.c. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební / Brno University of Technology, Faculty of Civil Engineering

prof. Ing. Jiří Vaverka, DrSc. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta architektury / Brno University of Technology, Faculty of Architecture

doc. Ing. Naďa Antošová, Ph.D. Slovenská technická univerzita v Bratislave, Stavebná fakulta / Slovak University of Technology in Bratislava, Faculty of Civil Engineering

Assoc. Prof. Uroš Klanšek, Ph.D. University of Maribor, Slovinsko / University of Maribor, Slovenia

doc. Ing. Martin Krejsa, Ph.D. Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Fakulta stavební / VŠB – Technical University of Ostrava, Faculty of Civil Engineering

doc. Ing. Vladislav Křivda, Ph.D. Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Fakulta stavební / VŠB – Technical University of Ostrava, Faculty of Civil Engineering

doc. Ing. Zdeněk Kutnar, CSc. České vysoké učení technické v Praze, Fakulta architektury / Czech Technical University in Prague, Faculty of Architecture

Assoc. Prof. Janko Logar, Ph.D. University of Ljubljana, Slovinsko / University of Ljubljana, Slovinenia

doc. Ing. Vít Motyčka, CSc. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební / Brno University of Technology, Faculty of Civil Engineering

doc. Ing. Karel Papež, CSc. České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební / Czech Technical University in Prague, Faculty of Civil Engineering

doc. Ing. Aleš Rubina, Ph.D. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební / Brno University of Technology, Faculty of Civil Engineering

Mgr. Lucie Augustinková, Ph.D. Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Fakulta stavební / VŠB – Technical University of Ostrava, Faculty of Civil Engineering

doc. Ing. Vlastimil Bílek, Ph.D. Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Fakulta stavební / VŠB – Technical University of Ostrava, Faculty of Civil Engineering

Ing. Petr Blasinski, Ph.D. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební / Brno University of Technology, Faculty of Civil Engineering

Ing. Svatava Henková, CSc. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební / Brno University of Technology, Faculty of Civil Engineering

Ing. Barbora Kovářová, Ph.D. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební / Brno University of Technology, Faculty of Civil Engineering

Dr. Adam Krezel DEAKIN University Melbourne, Austrálie / DEAKIN University Melbourne, Australia


doc. Ing. Iveta Skotnicová, Ph.D. Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Fakulta stavební / VŠB – Technical University of Ostrava, Faculty of Civil Engineering

Ing. Hana Šimonová, Ph.D. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební / Brno University of Technology, Faculty of Civil Engineering

Ing. Zdeněk Tesař, Ph.D. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební / Brno University of Technology, Faculty of Civil Engineering

Ing. Renata Zdařilová, Ph.D. Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Fakulta stavební / VŠB – Technical University of Ostrava, Faculty of Civil Engineering

Ing. et Ing. Petr Hlavsa Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební / Brno University of Technology, Faculty of Civil Engineering

Ing. Josef Remeš Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební / Brno University of Technology, Faculty of Civil Engineering


ODBORNÉ ZAMĚŘENÍ ČASOPISU / SCOPE AND LIMITATION Časopis Czech Journal of Civil Engineering je vědeckým časopisem oboru stavebnictví. Cílem časopisu je publikovat výsledky výzkumné práce studentů, akademických pracovníků či vědců v následujících oblastech oboru stavebnictví:

§ Geodézie a kartografie § Geotechnika § Pozemní stavitelství § Architektura § Fyzikální a stavebně materiálové inženýrství § Konstrukce a dopravní stavby § Vodní hospodářství a vodní stavby § Technické zařízení budov § Management ve stavebnictví § Technologie, mechanizace a řízení staveb

Czech Journal of Civil Engineering is an online journal and its aim is to publish the results of studies of scientists, scholars and students in the following fields of civil engineering:

• Geodesy and Cartography • Geotechnics • Building Construction • Architecture • Physical and Building Materials Engineering • Constructions and Traffic Structures • Water Management and Water Structures • Installations • Civil Engineering Management • Technology, Mechanisation and Construction Management

TIRÁŽ / IMPRINT Czech Journal of Civil Engineering VYDÁVÁ / Ing. David Čech, Petra Hechta 1574, Rosice 665 01, Česká republika VEDOUCÍ REDAKTOR / Ing. David Čech ADRESA REDAKCE / ScientificJournals.eu, Petra Hechta 1574, Rosice 665 01, Česká republika [email protected], www.scientificjournals.eu +420 732 747 962 3. ročník / 2017 / 2 Datum vydání: 31.12.2017 ISSN 2336-7148 Časopis je vydáván od března 2015. Periodicita vydávání časopisu je dvakrát ročně. Veškeré důležité informace naleznete na webových stránkách časopisu: www.scientificjournals.eu/mag/cjce Příští číslo vyjde 30. 6. 2018.

mailto:[email protected]

http://www.scientificjournals.eu

http://www.scientificjournals.eu/mag/cjce


OBSAH / CONTENTS SMART FLEXIBILITA - POTENCIÁL PRE VEREJNÉ PRIESTORY 9 SMART FLEXIBILITY - POTENTIAL FOR PUBLIC SPACES doc. Ing. arch. Silvia Bašová, PhD. SIMULAČNÉ MODELOVANIE A JEHO VYUŽITIE PRI PRÍPRAVE STAVEBNÝCH PROCESOV REALIZOVANÝCH VRTUĽNÍKMI 15 SIMULATION MODELING AND ITS APPLICATION IN THE PRE-CONSTRUCTION DESIGN OF BUILDING PROCESSES CARRIED OUT BY HELICOPTERS Ing. Andrej Bisták doc. Ing. Zdenka Hulínová, PhD. PŮSOBENÍ ČESKÝCH ARCHITEKTŮ A INŽENÝRŮ V BULHARSKU (1870-1918): HLAVNÍ POZNATKY BÁDÁNÍ 22 WORK OF THE CZECH ARCHITECTS AND ENGINEERS IN BULGARIA (1870-1918): MAIN RESEARCH FINDINGS Ing. arch. Nikolay Brankov LCA STUDY OF ENVIRONMENTAL IMPACTS OF WWTP 29 Ing. Réka Csicsaiová Ing. Michal Holubec, PhD. Ing. Veronika Gregušová doc. RNDr. Ivona Škultétyová, PhD. POSSIBILITIES OF SLUDGE RECOVERY FROM WASTEWATER TREATMENT PLANT 35 Ing. Mária Dubcová doc., RNDr. Ivona Škultétyová, PhD. Ing. Kristína Galbová, PhD. Mgr. Mária Trošanová DETECTION STEEL OF CONCRETE REINFORCEMENT - TEST OF SELECTED EQUIPMENT 40 Ing. Marek Ďubek, PhD. Ing. Marián Bederka RNDr. Michal Grinč, PhD. UDRŽATEĽNÉ HOSPODÁRENIE S ČISTIARENSKYM KALOM NA SLOVENSKU 46 SUSTAINABLE MANAGEMENT OF SEWAGE SLUDGE IN SLOVAKIA Ing. Kristína Galbová, PhD. Ing. Veronika Gregušová Ing. Jaroslav Hrudka, PhD. doc. RNDr. Ivona Škultétyová, PhD. IN-SITU MEASURED VELOCITY IN THE SECODARY SETTLING TANK AND ITS APPLICATION FOR THE FLOW SIMULATION 52 Ing. Veronika Gregušová Ing. Michal Holubec, PhD. Ing. Kristína Galbová, PhD. doc. Ing. Štefan Stanko, PhD.


CFD ANALYSIS OF WASTEWATER SEDIMENTATION TANK 58 Ing. Michal Holubec, PhD. Ing. Jaroslav Hrudka, PhD. Ing. Réka Csicsaiová doc. Ing. Štefan Stanko, PhD. REGULATION FACILITIES AT THE SEWER NETWORK AS A TOOL IN REDUCING THE EFFECTS OF HEAT ISLANDS IN URBAN AREAS 66 Ing. Jaroslav Hrudka, Ph.D. Ing. Michaela Červeňanská Ing. Dušan Rusnák Ing. Marianna Czölderová, Ph.D. Ing. Veronika Soldánová INCREASING THE EFFICIENCY OF SEPARATING RAINWATER IN THE CSO CHAMBER BY MATHEMATICAL MODELING 73 Ing. Jaroslav Hrudka, Ph.D. Ing. Dušan Rusnák Ing. Réka Csicsaiová NÁKLADY VYNALOŽENÉ NA PREVENCIU A NÁPRAVU V OBLASTI BOZP ZAMERANÉ NA STAVEBNÍCTVO 79 INVESTMENTS INCURRED TO PREVENTION AND ACCIDENT COST TO OHS IN CONSTRUCTION INDUSTRY doc. Ing. Zdenka Hulínová, PhD. Ing. Jana Hulinová ANALÝZA VÝHOD A NEVÝHOD “MOKRÉHO” A “SUCHÉHO” POTERU POUŽÍVANÉHO V PODLAHOVÝCH SYSTÉMOCH 85 THE ANALYSIS OF PROS AND CONS WET OR DRY UNDERLAYMENT USING IN FLOORING SYSTEMS Ing. Barbara Chamulová, PhD. FACTORS AFFECTING THE CONSTRUCTION DEVELOPMENT IN THE EUROPEAN UNION 94 doc. Ing. Eva Jankovichová, Ph.D. Ing. Miroslav Ščepka DETECTING CHANGES IN TRENDS AND SCALING EXPONENTS OF SHORT TERM RAINFALL: CASE STUDY FOR THE ORAVSKÁ LESNÁ STATION 100 prof. Ing. Silvia Kohnová, Ph.D. Ing. Karolína Ochabová Ing. Gabriel Földes prof. Ing. Kamila Hlavčová, Ph.D. EXPERIMENTÁLNÍ MĚŘENÍ A ANALÝZA OBJEMOVÝCH ZMĚN BETONU 106 EXPERIMENTAL MEASUREMENT AND ANALYSIS OF VOLUME CHANGES OF CONCRETE Ing. Michal Kropáček SPECTRAL CHARACTERISTICS OF DIFFERENT BUILDING MATERIALS BY THE EYES OF LASER SCANNING 111 Ing. Eva Kučerová Ing. Jan Novotný, Ph.D.


VLIV PŘÍČNÉHO ROZMĚRU PŘÍTOKOVÉ ŠACHTY NA PŘEPAD PŘES PŘELIV SE ŠIROKOU KORUNOU 118 INFLUENCE OF THE TRANSVERSE DIMENSION OF THE INLET SHAFT ON OVERFLOW OF BROAD-CRESTED WEIR Ing. Jakub Major WIND AND SOLAR ENERGY AS A PART OF THE DESIGN OF CONSTRUCTION EQUIPMENT 125 Ing. Minh Nguyen Tien Ing. Miroslav Ščepka MÍRA ZPĚTNÉHO OSTŘIKU JAKO FUNKCE DOPADOVÉHO ÚHLU 130 BACKSPLASH RATE AS A FUNCTION OF IMPACT ANGLE Ing. Adam Nehudek prof. Ing. Jan Šulc, CSc. VPLYV ZMIEN VYUŽITIA ÚZEMIA NA EKOLOGICKÚ STABILITU KRAJINY V POVODÍ RIEKY MYJAVA 136 THE IMPACT OF LAND USE CHANGES ON THE ECOLOGICAL STABILITY IN THE MYJAVA RIVER BASIN Ing. Radovan Nosko Ing. Marcela Maliariková prof. Ing. Kamila Hlavčová, PhD. VYUŽITÍ 3D NUMERICKÝCH SIMULACÍ PŘI STANOVENÍ HYDRODYNAMICKÉHO ZATÍŽENÍ PŘELÉVANÉ MOSTOVKY 143 USE OF 3D NUMERICAL SIMULATION IN THE PROCESS OF QUANTIFICATION OF HYDRODYNAMIC LOAD ON OVERFLOWED BRIDGE DECK Ing. Michal Pavlíček doc. Ing. Aleš Dráb, Ph.D. ASSESSMENT OF EXTERNAL INFLUENCES ON JOINT QUALITY OF ROOF WATERPROOFING FOIL BASED ON MPVC 149 Ing. Marek Petro, PhD doc. Ing. Matej Ivanko, PhD. TECHNOLOGICKÉ ASPEKTY MIMOSTAVENISKOVEJ DOPRAVY ČERSTVÉHO BETÓNU 157 TECHNOLOGICAL ASPECTS OF READY – MIX CONCRETE TRANSPORT Ing. Lukáš Prokopčák, PhD. Ing. Katarína Prokopčáková, PhD. EFEKTÍVNOSŤ VÝSTAVBY A MIMOSTAVENISKOVÁ DOPRAVA ČERSTVÉHO BETÓNU 162 BUILDING EFFICIENCY AND READY – MIX CONCRETE TRANSPORT Ing. Katarína Prokopčáková, PhD. Ing. Lukáš Prokopčák, PhD. CHOICE OF THE DESIGN RAINFALL FOR SEWERAGE ASSESSMENT USING ANALYTICAL TOOL DATER IN SLOVAKIA 168 Ing. Dušan Rusnák Ing. Mária Dubcová Mgr. Mária Trošanová doc. Ing Štefan Stanko, PhD.


COMPARISON OF ENVIRONMENTAL GOALS AND ECONOMIC EFFICIENCY IN WASTE MANAGEMENT AT MUNICIPAL LEVEL WITHIN REVERSE LOGISTICS 174 Mgr. Mária Trošanová doc. RNDr. Ivona Škultétyová, PhD. Ing. Mária Dubcová Ing. Dušan Rusnák VLIV ORIENTACE BUDOVY NA MOŽNOSTI VYUŽITÍ PŘIROZENÉHO VĚTRÁNÍ U DVOJITÝCH PROSKLENÝCH FASÁD 181 THE INFLUENCE OF BUILDING’S ORIENTATION AND THE POSSIBILITY OF USE NATURAL VENTILATION IN DOUBLE TRANSPARENT FACADE Ing. arch. Kristýna Valoušková ZAMERANIE DNA MALEJ VODNEJ NÁDRŽE ULTRAZVUKOVÝM ADCP PRÍSTROJOM 191 MEASUREMENT THE BATHYMETRY OF A SMALL WATER RESERVOIR USING AN ULTRASONIC ACOUSTIC DOPPLER CURRENT PROFILER Ing. Roman Výleta, PhD. Ing. Peter Spál, PhD. Ing. Michaela Danáčová, PhD.


SMART FLEXIBILITA - POTENCIÁL PRE VEREJNÉ PRIESTORY

SMART FLEXIBILITY - POTENTIAL FOR PUBLIC SPACES

doc. Ing. arch. Silvia Bašová, PhD.

ABSTRAKT

Aktuálne premeny verejných priestorov môžeme sledovať z hľadiska ich urbánnych a architektonických faktorov, z hľadiska socio – psychologických faktorov a tiež z hľadiska bezpečnosti a bezbariérovosti. Súčasné koncepty sa sústreďujú na bezpečnosť, optimalizáciu klimatických extrémov, sociálnu priehľadnosť, identitu, vitalitu a kvalitu exponovaných mestských priestorov. Metódou urbánnej flexibility možno pružne reagovať na zmeny a prispôsobiť sa požiadavkám mesta a spoločnosti i ekologickým premenám na rôzne dlhý časový rozpon. Princíp flexibility je možné uplatniť pri koncepcií mestského designu, pri zmenách scény daného priestoru, pri náladách a efektoch farebnosti, hudby a svetla. Flexibilitou možno modelovať koncept funkcií a prevádzok, koncept zelene, koncept pešej a cyklodopravy. Smart flexibilitou môže mesto zlepšiť bezpečnosť, inteligentnú prevádzku a posilniť informovanosť návštevníkov.

Kľúčové slová: flexibilita, vitalita verejných priestorov, flexibilita - potenciál verejných priestorov

ABSTRACT

Current changes in public spaces can be monitored in terms of their urban and architectural factors, socio-psychological factors, and security and barrier-free. Current concepts focus on security, optimization of climate extremes, social transparency, identity, vitality and quality of exposed urban areas. Urban flexibility can flexibly respond to changes and adapt to city and society demands and to ecological change for a variety of time spans. The flexibility principle can be applied to the concept of city design, changes in the scene of the space, the moods and effects of color, music and light. The concept of functions and operations, the green concept, the concept of walking and cycling can be modeled by flexibility. With smart flexibility, the city can improve security, intelligent traffic, and enhance visitor awareness.

Key words: flexibility, vitality of public spaces, flexibility as potential of public spaces

1 ÚVOD

Populácia v mestách má rastúcu tendenciu, čo znamená stále sa zvyšujúcu koncentráciu ľudí v stredných a veľkých mestách. Tiež to znamená koncentráciu pešieho života na centrálne mestské pozície, na najvýznamnejšie ulice, pešie osi, námestia, nábrežia, parky. Ťažiskový verejný priestor je najkoncentrovanejším peším priestorom mesta. Vo svojej stavebnej podstate je tektonicky pevným miestom, ale vo svojej exteriérovej scéne je otvoreným a premenlivým fenoménom mestskej štruktúry. Doliehajúce súčasné urbánne problémy verejných priestorov z hľadiska narušenej klímy, z hľadiska sociálnej krízy, rastu anonymity, straty identity a humánnych parametrov až po nečakané teroristické útoky rozvírili v posledných rokoch aj istotu stabilizovaných mestských priestorov. Čím je miesto exponovanejšie a navštevovanejšie miesto, tým viac ohrození. Vnímanie podnetov a impulzov mesta, zvlášť z horizontu jeho priameho účastníka - chodca, nás privádza k zážitkovému pohľadu na mesto. Je to pohľad z

9


kvalitatívnej roviny, ktorá integruje urbánne, architektonické, designérske a sociálne hľadiská. Kvalitné mesto s jeho najatraktívnejšími verejnými priestormi sa prezentuje svojou dynamikou, vťahuje nových návštevníkov, zhodnocuje svoj potenciál a potvrdzuje génia loci. Vrstvenie dejov v čase a priestore sa kumuluje práve na scéne námestia a vo verejných priestoroch. Táto scéna je pevným oporným bodom, ku ktorému urbánna štruktúra graduje a hierarchicky sa zahusťuje. Námestie tu plní najvýznamnejšiu úlohu priestorovej osnovy mesta. Tieto verejné priestory sú v súčasnej situácií vystavené aj mnohým ohrozeniam. Pri prehliadaní týchto faktorov dochádza k environmentálnym, funkčno – prevádzkovým, dopravným a sociálnym ohrozeniam, čím sa dostávame k degradácií kvality vnútromestskej štruktúry. Pribúdajú straty pešieho života a straty v zážitkovej rovine. Sociologické prieskumy, ktoré sledujú priebeh sociálnych procesov a javov sledujú dopad urbánnych premien na sociálne subjekty, ktoré daný priestor vyplňujú. Metódami flexibilných urbánnych vstupov možno verejný priestor kvalitatívne zlepšovať, modelovať a jeho scénu variantne modelovať. Straty je možné premieňať na zisky pešieho života a ohrozenia premieňať na mestotvorné potenciály.

2 FLEXIBILITA AKO METÓDA PREMENY VEREJNÝCH PRIESTOROV

2.1 Súvislosti flexibilných premien verejných priestorov na iné urbánne koncepcie

Flexibilta premien verejných priestorov je metóda nadväzujúca predovšetkým na potenciál pešieho života. Koncepcia „miest pre ľudí“ od dánskeho urbanistu Jan Gehla pioniersky zdôraznila v prehustenej doprave významné miesta – póly stretávania ľudí, predovšetkým peších, ich pešiu dostupnosť a atraktivitu mestského prostredia. [5] Množstvo prvkov, lákajúcich k prechádzke, k zastaveniu a posedeniu v mestskom verejnom priestore vytvorilo nový mestský model: podstatne viac ľudí sa zdržiava v meste a chodí pešo.“ [6] Kvalitné verejné priestory vytvárajú atraktívnejšie mestá. Gehl sa zapisuje do povedomia architektov a urbanistov predovšetkým publikáciami „Life between buildings“ a „Cities for people“ ktoré synteticky nadväzujú na diela jeho predchodcov ako sú Camillo Sitte, Jane B. Jacobs, Leon Krier a ďalší. Skúmanie verejných priestorov a ich flexibilné premeny s metódu Space Syntax koncipujú prístup, ktorý skúma vzťahy medzi priestorovým usporiadaním a radom sociálnych, ekonomických a environmentálnych javov. Tieto javy zahŕňajú vzory pohybu, povedomie a interakcie; hustotu; rast miest a spoločenské diferenciácie, tiež otázky bezpečnosti. [9] Metóda flexibility súvisí aj s metódou urbánnej akupunktúry Jaime Lernera [7]. Ide o urbanisticko - ekologickú teóriu, ktorá spája urbanistické navrhovanie s teóriou akupunktúry z tradičnej čínskej medicíny. Táto metóda zobrazuje mestá ako živé, dýchajúce organizmy s citlivými bodmi, ktoré vyžadujú opravu. Projekty udržateľnosti slúžia ako ihly, ktoré oživia celok tým, že vyliečia jeho časti [7].

2.2 Flexibilita ako metóda premien verejných priestorov

Peší pohyb v meste je trasovaný a smerovaný k cieľovým destináciám. Hoci v ideálnom pôdoryse sa môže javiť ako bezkolízny, reálne stretnutie s priestorom ponúka množstvo iných súradníc, ktoré podporujú, či popierajú koncept prvotnej urbánnej trasy a jej kvalitu. Flexibilná metóda premien verejného priestoru v kultúrno - spoločenských póloch mesta prináša aj nový kapitál premien: intelektuálny a sociálny, demokratický, kultúrny, environmentálny, technický a finančný [3]. Variantnosť narastá rozšírením možností využitia existujúcej osnovy verejných priestorov pre vitalitu daných lokalít. Princípom flexibilného modelu je zistiť, ako implementovať novú flexibilnú štruktúru do existujúcich miest, nakoľko zvyšovať hustotu zástavby a ako zjednodušiť orientáciu v území. Smart flexibilta prináša interaktívne využitie mobiliáru námestí, parteru domov a podlúbií, ulíc, nábreží a parkov. Flexibilita tu funguje ako

10


schopnosť adaptácie, schopnosť prispôsobenia urbánneho priestoru novým podmienkam lokality pre ich časopriestorovú vitalitu. Flexibilné a kreatívne mestá budúcnosti sú urbánne inkubátory sociálnych a kultúrnych premien našich miest. Medzi ich nevyhnutné predpoklady patrí prepojenosť s okolím, otvorenosť pre návštevníkov, výnimočná kvalita, atraktivita a zrozumiteľný image. [4] Tieto miesta však majú poskytovať nielen atraktivitu, ale aj bezpečnosť, spokojnosť a univerzálny design. Takto sa môžu stať demokratickým fórom, k čomu boli vo svojom historickom vývoji predurčené. Nestačí ideálny verejný priestor. Súčasným ohrozeniam treba predchádzať. Z hľadiska všeobecnej bezpečnosti peších treba pristúpiť k opatreniam v dôsledku nečakaných udalostí klimatického či spoločenského charakteru. Z hľadiska eliminácie strát pešieho života treba podporiť dominantné pešie trasy a uzly, posilniť kultúrnu silu a identitu významných miest mesta, eliminovať funkčnú prázdnotu a nudu na námestiach, úbytok vitálnych funkcií a tiež privatizáciu verejného priestoru [1]. Stratégia vyššej urbánnej flexibility využíva simulovanie situácií ohrozenia a umožňuje nastaviť scenáre zmien v prípade invazívnych situácií. Vyššia flexibilita verejných priestorov funguje s princípom urbánnej životaschopnosti a udržateľnosti. Význam tejto vyššej flexibility uvádza výskum Picketta, Cadenassa a Grova: „Životaschopnosť sa môže stať základným nástrojom na dosiahnutie tejto integrácie.“ [8]

Obr. 1 Flexibilita ulice - vkladá príležitostné scenáre pre peších na Štúrovej ulici, Bratislava http://www.bratislava.sk/rozlucka-s-letom-2017/g-130793/id_obrazky=287832&typ_sady=1&p1=11030573

2.3. Flexibilita verzus ohrozenia verejného priestoru

Súčasná urbánna situácia v európskych mestách čelí novým rizikám a ohrozeniam: klimatická kríza, sociálna kríza, dopravné problémy, neistota z nečakaných teroristických útokov. Metóda flexibilných

11

http://www.bratislava.sk/rozlucka


premien verejných priestorov predpokladá variantné scenáre. Flexibilitou je možné dosiahnuť väčšiu atraktivitu i vyššiu bezpečnosť miest mesta. Flexibilný koncept verejných priestorov sa dotýka týchto strát a ohrození:

• Environmentálnych: strata ekologickej rovnováhy mesta, nárazová intenzita a periodicita zrážok, zmeny v prúdení vetra, frekvencia extrémnych prejavov počasia, invazívne druhy zelene, svetelný smog, akustický smog;

• Funkčno – prevádzkových a dopravných: strata vitality a atraktivity, nadmerné obsadenie priestorov statickou dopravou, dlhé dochádzkové vzdialenosti k mhd, opustené prevádzky;

• Urbánno – architektonických: absencia designu verejných priestorov, strata mierky, atmosféry, zelenej infraštruktúry, strata orientácie, identifikácie, reklamný smog;

Smart flexibilitou je možné modelovať základný urbanistický koncept a eliminovať ohrozenia a straty:

• Vytvárať variabilnú bezbariérovú scénu verejného priestoru pre rôzne vekové kategórie a záujmy;

• Adaptovať priestor na štyri ročné obdobia, na nečakané udalosti a vnášať aj klimatické opatrenia;

• Prispieť interaktívnymi prvkami a novými technológiami k orientácií a záujmu o priestor.

Obr. 2 Flexibilita priestoru – letné využitie Hviezdoslavovho námestia, Bratislava na mestskú obývačku, nástup na promenádu oživený mobiliárom zelene a gastro-jednotkami, Barcelóna, Španielsko

foto autora

2.4. Flexibilita sa spája s participatívnosťou

Dôraz pri koncepcií pretvárania verejných priestorov flexibilnou metódou je oveľa úspešnejší, ak sa viaže už od začiatku na dialóg medzi mestom, obyvateľmi a investorom. Mnohí občania a občianske zoskupenia by sa chceli viac angažovať v rozhodnutiach o priestoroch, ktoré ich reprezentujú a ovplyvňujú ich okolie a kvalitu života. Treba im ponúknuť priestor. Názory občanov a ich pozícia musia byť partnerské od začiatku spustenia idey projektu. [1] V priebehu koncepčného, plánovacieho a projekčného procesu sa rozvíja prístup a dialóg formou participácie na návrhu mestského designu. Verejný priestor je súčasťou každodenného života a všetci jeho účastníci môžu participovať na dobrom návrhu a realizácií [2]. Podľa

12


[11] je potrebný tento dialóg aj vo fázach akceptácie sociálnych požiadaviek obyvateľov mestom a nakoniec pre aplikáciu trvalo udržateľného systému vo využívaní konkrétneho verejného priestoru.

Obr. 3 Metóda flexibility zóny na príklade Obchodná ulica, Bratislava

Hľadanie flexibilných pozícií uzlov, ulice, hĺbkových dvorov. Systém zazelenenia dvorov a pavilónov vo dvoroch proti klimatickým ohrozeniam. Študentský projekt „Flexibilné mesto“, FA STU Bratislava. Študenti: Bc. Laura Foltínová, Bc. Veronika Mandincová, ped.: Doc. Ing. arch. Silvia Bašová, PhD.

foto z archívu autora

Názory občanov môžu byť na verejnom fóre konfrontované aj so študentskými projektmi, ktoré môžu predchádzať súťažiam a konkrétnym zadaniam. Týmto sa otvorí širšia diskusia a môže zabrániť aj nečakaným stretom a petíciám. Študentský projekt „Flexibilné mesto“ na FA STU si takto študenti vybrali ako atraktívnu a verejnosťou diskutovanú tému, tému na riešenie metódou flexibilných konceptov.

ZÁVER

Verejné priestory sú vystavená novým rizikám a ohrozeniam. Flexibilný koncept verejných priestorov môže ponúknuť viac alternatív využitia priestoru, viac ekologickej rovnováhy v meste, viac bezpečnosti a využitia smart designu. Prináša nové typy aktivít, nové funkcie pre miesta stretnutia, viac komunikácie a interakcie. Verejné priestory s princípom dánskeho urbanistu Jan Gehla: „najprv život, potom priestor, a nakoniec budovy“ majú šancu vznikať , resp. byť pretvorené i dnes. [6] Kvalitný a estetický verejný priestor so sociálnymi impulzmi, rôznorodými funkciami, aktivitami je priestor s ľudskou mierkou, trvalo

13


udržateľný, zdravý, bezpečný a ľahký na údržbu, s prevahou pešieho pohybu a optimálnou organizáciou dopravy, priestor jasne artikulovaný verejnými a súkromnými zónami [10]. Flexibilný model dáva šance prekonať straty i ohrozenia verejných priestorov.

Použitá literatúra [1] BAŠOVÁ, Silvia - Lucia ŠTEFANCOVÁ. Mestský priestor - straty a zisky pešieho života. Czech Journal of Civil Engineering, Vol. 1, Iss. 1, 2015, s. 51, [online]. ISSN 2336-7148. [2] CARMONA, Matthew, Steve TIESDELL, Tim HEALTH, Taner OC: Public Places, Urban Spaces: The Dimensions of Urban Design, Routledge, Architectural Press Elsevier, 2010. ISBN – 13: 978-1 -85617-827-3. [3] EUROPEAN URBAN KNOWLEDGE NETWORK (EUKN) [online]. [2017-10-11]. Dostupné z: http://www.eukn.eu/ [4] FALLAH, Masoud, MASOUD Mohammad, NAVAIE, Asadallah. Role of resilient and flexible urban space in disasterManagement. Bulletin of Environment Pharmacology, Life Sciences, Vol.3, Issue III 2014, Academy for Environment and Life Sciences, India [online]. ISSN 2277-1808. [5] GEHL, Jan. Život mezi budovami. Nadace Partnerství, Brno, p. 202, 2000. ISBN 8085834790. [6] GEHL, Jan. Města pro lidi. Nadace Partnerství, Brno, s. 13, s. 199. ISBN 978-80-260-2080-6. [7] LERNER, Jaime: Urban Acupuncture, Island Press 2014. ISBN 9781610917278. [8] PICKETT, S.T.A., M.L. CADENASSO, J.M. GROVE: Resilient cities: meaning, models, and metaphor for integrating the ecological, socio-economic, and planning realms. Landscape and Urban Planning 69, Elsevier, 2004. doi:10.1016/j.landurbplan.2003.10.035 [9] RATTI, Carlo. Space Syntax: Some Inconsistencies. Environment and Planning B, Volume: 3 issue: 4, 2004, https://doi.org/10.1068/b30 [10] ŠTEFANCOVÁ, Lucia. Metódy prístupu pri navrhovaní nových verejných priestorov vo vidieckych sídlach - prípadová štúdia Bernolákovo. Czech Journal of Civil Engineering [elektronický zdroj]. Vol. 2, iss. 1 2016, s. 108-114, [online]. ISSN 2336-7148. [11] Smart Communities. California Institute for Smart Communities. (2001). Smart Communities Guide Book. [online]. [2017-18-11]. Dostupné z: http://www.smartcommunities.org/guidebook.html

14

http://www.eukn.eu/

https://doi.org/10.1068/b30

http://www.smartcommunities.org/guidebook.html


SIMULAČNÉ MODELOVANIE A JEHO VYUŽITIE PRI PRÍPRAVE STAVEBNÝCH PROCESOV REALIZOVANÝCH

VRTUĽNÍKMI

SIMULATION MODELING AND ITS APPLICATION IN THE PRE-CONSTRUCTION DESIGN OF BUILDING PROCESSES CARRIED OUT BY HELICOPTERS

Ing. Andrej Bisták, doc. Ing. Zdenka Hulínová, PhD.

ABSTRAKT

Pri modelovaní stavebných procesov je rozhodujúcou úlohou zvoliť taký druh modelu, ktorý nás čo najefektívnejšie privedie k požadovanému cieľu. Zostavený model má umožniť skúmanie správania sa stavebných procesov v reálnych podmienkach a tiež vyhodnotiť navrhnutú štruktúru procesu na základe požadovaných kritérií. Príprava stavebných procesov realizovaných vrtuľníkmi musí rešpektovať vplyv náhodne sa meniacich podmienok výstavby a súčasne aj špecifické podmienky práce vrtuľníkov. Zložitosť takého systému je možné modelovať pomocou simulačných modelov. Predložený článok obsahuje analýzu súčasného stavu v oblasti simulácií v stavebnej výrobe, návrh základnej koncepcie simulačného modelu stavebného procesu uskutočňovaného vrtuľníkom a v závere je opísaná prvotná etapa získavania potrebných vstupných údajov.

Kľúčové slová: simulačný model, vrtuľník, stavebný proces, stavebníctvo

ABSTRACT

When modeling construction processes, it is crucial that we choose a model that brings us to the desired goal as efficiently as possible. A built-in model should enable the construction process to be studied under realistic conditions, and to evaluate the proposed process structure on the basis of required criteria. Preparation of the construction processes carried out by helicopters must consider the impact of randomly changing construction conditions and, at the same time, the specific operating conditions of helicopters. The complexity of such a system can be modeled using simulation models. Submitted paper addresses an analysis of the current situation in the field of building industry simulations, a proposal of a design of the basic concept of helicopter construction process simulation model and, in the conclusion, describes the early stages of obtaining of the necessary input data.

Key words: simulation model, helicopter, construction process, building industry

1 ÚVOD

Vrtuľník, vzhľadom k svojim vlastnostiam, predstavuje pre mnohé odvetvia praktický a nenahraditeľný dopravný prostriedok. Možnosť kolmého štartu a pristátia bez závislosti na dlhých vzletových a pristávacích dráhach poskytuje vrtuľníkom neobyčajne široký operačný priestor, pretože na pristátie a štart nevyžadujú rozmernú ani špeciálne upravenú plochu. Netradičné manévrovacie schopnosti umožňujú vrtuľníkom vykonávať lety aj v tesnej blízkosti terénu. Nižšia dopravná rýchlosť vrtuľníkov oproti iným leteckým prostriedkom je v prípade dopravy bremien výhodou (Messingerová 2005).

15


Vrtuľník je schopný letieť všetkými smermi a na rozdiel od klasických lietadiel umožňuje aj zastavenie vo vzduchu - visenie. Práve kombinácia týchto charakteristických vlastností umožnila využitie vrtuľníkov aj v sektore stavebníctva (Jindra 1965).

V stavebno-technologickej príprave výstavby sa uplatňujú prevažne deterministické modely, v ktorých sa k realite snažíme priblížiť pomocou vhodných koeficientov. Takto vytvorené modely sú relatívne jednoduché, no za určitých okolností sú napriek tomu dostačujúce na plánovanie technologických postupov. V prípade realizácie stavieb v zložitejších podmienkach však môže byť deterministický prístup vplyvom náhodných zmien skresľujúci (Hulínová 2011).

2 SIMULAČNÉ MODELOVANIE V STAVEBNÍCTVE

Optimálny model stavebného procesu by mal vystihnúť predovšetkým náhodný charakter stavebnej výroby. Medzi náhodné faktory, ktoré môžu ovplyvniť priebeh stavebných procesov, zaraďujeme geologické, hydrogeologické a morfologické pomery, umiestnenie inžinierskych sietí, poveternostné podmienky, dopravnú situáciu, plynulosť v zásobovacej sieti, kvalitu materiálov, poruchovosť strojov a zariadení, zmeny projektu, finančný tok, zmeny v termínových požiadavkách a pod. (Hulínová 2011)

Skutočný priebeh stavebných procesov uskutočňovaných vrtuľníkmi (tzv. leteckých prác) je pomocou deterministických modelov ťažšie predpovedateľný, a to najmä v dôsledku osobitostí leteckých prác, spôsobených vplyvom náhodných faktorov na činnosť vrtuľníka (Bisták 2016). Nepresnosť pri časovom a nákladovom plánovaní potom negatívne ovplyvňuje celý proces realizácie výstavby.

Ak pripustíme pôsobenie náhodných faktorov, požadované výstupy môžeme dosahovať len s určitou pravdepodobnosťou. Najvernejšie zobrazenie reality dosiahneme znázornením skutočného objektu ako simulačného modelu. V porovnaní s deterministickým prístupom je jeho základom tvorba matematicko-logických modelov (Hulínová 2011).

Podstatou simulačného modelovania je vytvorenie počítačového modelu stavebného procesu tak, ako by prebiehal v skutočnosti, a následné experimentovanie so zostaveným modelom (AbouRizk et al. 2011). Príklad jednoduchého simulačného modelu betonárskeho procesu je na obr. 1.

Obr. 1: Simulačný model betonárskeho procesu so zobrazením trvania simulačného behu (Hulínová 2011)

Simulácia nie je nástroj, ktorý umožní priamo získať optimálne riešenie. Simulačné modelovanie je skôr podporným prostriedkom, ktorý zhotoviteľ potrebuje najmä vtedy, keď je na uskutočnenie stavebného procesu možné použiť väčší počet riešení. Pomáha mu pri výbere optimálnej technológie výstavby na základe výstupných hodnôt jednotlivých variantov (Hulínová 2011).

16


2.1 Analýza súčasného stavu v Slovenskej republike

V oblasti stavebnej výroby je na Slovensku v súčasnosti využitie simulačných metód zriedkavé, čoho dôkazom je aj relatívne malé množstvo publikovaných prác. Simulačný prístup však u nás už dnes používajú vo väčšej miere iné odvetvia priemyslu, najmä strojárstvo. Využitím počítačovej simulácie v podmienkach stavebnej výroby sa na Slovensku zaoberali Fedorko a Ficzeri (2013), ktorí konštatujú, že existujú oblasti logistiky, kde bolo aplikovanie počítačovej simulácie zaznávané a jednou z týchto oblastí je práve stavebná logistika.

Termín „stavebná logistika“ označuje odvetvovú aplikáciu logistiky v stavebníctve. Jej úlohou je koordinované riadenie hmotných a nehmotných tokov výstavbového procesu pre zabezpečenie optimálnych cieľov stavebného projektu, týkajúcich sa ceny, času a kvality Fedorko a Ficzeri (2013). Uvedení autori sa ďalej zaoberali aj simuláciou dopravy čerstvého betónu autodomiešavačmi z centrálnej betonárne na stavenisko. Neradilová et al. (2016) sa zase zaoberala simuláciou zásobovania výrobných liniek.

Samostatnou oblasťou stavebnej logistiky je problematika leteckých prác v stavebníctve. Letecké práce možno vykonávať len na základe povolenia vydaného Dopravným úradom (DÚ). Dopravný úrad v povolení určí rozsah a podmienky na ich vykonávanie. Na Slovensku v súčasnosti pôsobia, podľa registra DÚ, Divízie civilného letectva, na trhu leteckých prác v oblasti stavebníctva tri spoločnosti (DÚ 2017):

• UTair Europe, s.r.o. (letisko Piešťany), • AIR-TRANSPORT EUROPE, s.r.o. (letisko Poprad), • TECH-MONT Helicopter company, s.r.o. (letisko Spišská Nová Ves).

Tieto spoločnosti sú držiteľmi osvedčenia na výkon leteckých prác, zahŕňajúcich druh prevádzky „IV. Stavebníctvo“. Letecké práce v stavebníctve vykonávajú s vrtuľníkmi typu Mi-8 a Mi-171. Na území dnešného Slovenska má použitie týchto vrtuľníkov tradíciu prakticky už od roku 1968.

Súčasný stav problematiky v podmienkach domácej praxe bol konzultovaný s firmou UTair Europe, s.r.o. Príprava jednotlivých akcií využívajúcich vrtuľník sa v súčasnej dobe realizuje jednoduchými spôsobmi, najmä s použitím diagramu nosnosti konkrétneho typu vrtuľníka v tlačenej forme a následným ručným odčítaním hodnôt. Simulačný ani iný automatizovaný prístup sa pri spracovávaní dokumentov stavebno-technologickej prípravy nevyužíva.

2.2 Analýza súčasného stavu v zahraničí

Simulačnému prístupu sa v zahraničí venuje pomerne veľká pozornosť. Autori Mahmoodzadeh a Zare (2016) sa zaoberali pravdepodobnostnou predikciou vplyvu geologických podmienok, času trvania výstavby a celkových nákladov pri realizácii cestných tunelov. Tieto kritériá majú pri príprave realizácie tunelových stavieb kľúčový vplyv na rozhodovací proces. Navrhnutý simulačný model autori následne prezentovali na príklade výstavby cestného tunela Hamro, ktorý je súčasťou stavby cestného spojenia Sanandaj - Marivan v Iráne (Mahmoodzadeh a Zare 2016).

Alsudairi (2015) sa zaoberal možnosťami použitia simulačného prístupu v oblasti znižovania nákladov stavebného diela, skracovania času výstavby a údržby budov. V rámci svojho výskumu venoval pozornosť dvom vzorovým projektom v Saudskej Arábii. Prvým z nich bola výstavba budovy fakulty architektúry, druhým projektom bola prípadová štúdia zameraná na riadenie údržby zariadení v jednej z najväčších organizácií východnej provincie krajiny. V rámci tejto spoločnosti išlo o riešenie údržby komplexu 15 budov, v ktorých pracuje viac ako 1500 zamestnancov (obr. 2).

17


Obr. 2: Časť simulačného modelu procesu údržby (Alsudairi 2015)

Predmetom záujmu mnohých autorov bol tiež vplyv poveternostných podmienok na realizáciu výstavby. Na zhodnotenie závažnosti tohto vplyvu viacerí autori úspešne použili simulačný prístup (napr. Lee et al. 2009, Jung et al. 2016). Po spracovaní analýzy vplyvu poveternostných podmienok na produktivitu práce autori konštatujú, že poveternostné podmienky majú na produktivitu práce výrazný vplyv, pričom niektoré meteorologické prvky majú väčší vplyv ako ostatné (Lee et al. 2009).

Nosným prvkom takýchto simulačných modelov je generátor počasia. Patrí medzi numerické modely, „umelo“ vytvárajúce hodnoty jednotlivých meteorologických prvkov. Tieto dáta majú rovnaké rozdelenie pravdepodobnosti ako historické údaje o poveternostných podmienkach, ktoré do generátora vstupujú (Racsko, Szeidl a Semenov 1991).

Generátory sa používajú pri tvorbe simulačných modelov v rôznych oblastiach priemyslu, napr. v poľnohospodárstve, ekológii či pri výrobe elektrickej energie vo veterných elektrárňach (Caraway, McCreight a Rajagopalan 2014). Do generátora vstupuje štatistický súbor historických dát o poveternostných podmienkach v danej oblasti. Na základe teórie pravdepodobnosti a matematickej štatistiky generátor následne simuluje hodnoty jednotlivých meteorologických prvkov, ako je napr. množstvo zrážok, teplota a relatívna vlhkosť vzduchu, rýchlosť vetra atď. (Shahin et al. 2011).

Simulácia budúceho stavu poveternostných podmienok v mieste stavby, uskutočnená na základe historických dát, je spojená s istou mierou nepresnosti. Podľa Kima a Augenbroea (2012) tieto výpočtové modely dostatočne nevystihujú náhodnosť a neistotu, spojenú s predpovedaním počasia. Zvýšiť mieru presnosti dát, vstupujúcich do simulačného modelu, je možné použitím niektorého z komerčne dostupných numerických modelov predpovede počasia.

2.3 Čiastkový záver

Výskum v oblasti simulačného modelovania pri príprave stavieb je v súčasnej dobe len v počiatkoch, pričom mnohí autori zdôrazňujú nevyhnutnosť publikovania ďalších štúdií využívajúcich simulačný prístup. Vo svojich prácach sa už viacerí z nich zaoberali aj napr. simuláciou budúcich poveternostných podmienok a hodnotením ich vplyvu na proces uskutočňovania stavieb, avšak simulovali sa iba „konvenčné“ stavebné procesy, najmä s využitím klasických žeriavov a iných bežných stavebných strojov.

3 KONCEPCIA NAVRHOVANÉHO SIMULAČNÉHO MODELU

Navrhovaný simulačný model stavebného procesu realizovaného vrtuľníkom bude zohľadňovať pôsobiace náhodné faktory, medzi inými aj spomenuté poveternostné podmienky, ktoré pri tejto technológii výstavby najviac vplývajú na prácu vrtuľníka, a tým ovplyvňujú jeho najdôležitejšiu vlastnosť – maximálnu dosiahnuteľnú nosnosť.

18


Táto časť algoritmu môže byť vytvorená viacerými spôsobmi, pričom každý z nich poskytuje predpovedné dáta na rôzne dlhé časové obdobie. Na slovenskom trhu sa touto oblasťou zaoberá Slovenský hydrometeorologický ústav (SHMÚ), ktorý ponúka numerický predpovedný model Európskeho centra pre strednodobé predpovede počasia (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF) a tiež numerický model ALADIN, vyvíjaný priamo na SHMÚ (SHMÚ 2017).

Numerický model ECMWF poskytuje strednodobé pravdepodobnostné predpovede, počítané na 10 dní dopredu. Výstupom modelu sú predpokladané časové priebehy jednotlivých meteorologických prvkov. Tieto sú prezentované graficky formou tzv. meteogramu, ktorý predstavuje sumarizáciu jednotlivých výstupov predpovedného modelu, vztiahnutých ku konkrétnemu geografickému bodu - vybranej lokalite (SHMÚ 2017).

Algoritmus simulačného modelu bude tiež zohľadňovať technicko-ekonomické parametre vrtuľníkov, napr. cenu za letovú hodinu. Jeho výstupy budú následne implementované do procesov stavebno-technologickej prípravy. To znamená, že základné technologické dokumenty (časový plán výstavby, finančný plán a pod.) budú v dôsledku ich optimalizácie na báze výstupov simulačného modelu presnejšie kopírovať realitu výstavby.

Postupové kroky pri tvorbe simulačného modelu budú nasledovné:

1. snímkovanie priebehu stavebných procesov (betonárskych, resp. montážnych) využívajúcich vrtuľníky za účelom získania dokonalej znalosti sledu a trvania procesov, uskutočňovaných na stavbe, vrátane vzájomných väzieb a závislostí medzi procesmi,

2. zostavenie simulačnej schémy pozorovaných stavebných procesov s využitím poznatkov získaných snímkovaním,

3. vytvorenie simulačného modelu stavebného procesu na základe navrhnutej simulačnej schémy a jeho výpočet,

4. verifikácia vytvoreného simulačného modelu prostredníctvom porovnania jeho výstupov s výstupmi už realizovaných skutočných procesov,

5. porovnanie výstupov simulačného modelovania s výstupmi získanými na základe deterministického prístupu s cieľom zhodnotenia významu a účinnosti simulačných metód pri príprave výstavby.

Nasledujúca podkapitola článku popisuje praktickú realizáciu prvého bodu, tzn. snímkovania priebehu stavebného procesu v reálnych podmienkach.

3.1 Získavanie vstupných údajov pre tvorbu simulačného modelu

Jedným zo zdrojov vstupných podkladov pre tvorbu simulačného modelu je projekt výstavby troch lanových dráh v horskom meste Szczyrk (Poľsko), ktorý sa realizoval v roku 2017. Betonáž základových pätiek a montáž traťových podpier všetkých lanoviek sa uskutočňovala pomocou vrtuľníka. Na túto akciu bol použitý vrtuľník typu Mi-8 s max. nosnosťou v podvese 3000 kg.

Počas nášho pozorovania prebiehala montáž podpier jednej z lanových dráh. Spolu bolo potrebné osadiť 10 podpier rúrového prierezu. Podpery mali výšku 10,17 - 26,41 m, čomu zodpovedala ich hmotnosť v intervale 11 541 - 23 391 kg. Montáž podpier sa uskutočňovala postupne od hornej stanice smerom k dolnej stanici, a to na pripravené železobetónové základové pätky so zabetónovanými kotevnými skrutkami.

S montážou podpier pomocou vrtuľníka sa počíta už vo fáze projektovania, preto sú podpery navrhnuté a konštrukčne prispôsobené práve na tento spôsob montáže. Vzhľadom na ich hmotnosť, ktorá vysoko presahuje možnosti vrtuľníka, sa už vo výrobe rozdeľujú na stanovený počet segmentov.

19


Tieto segmenty sa na stavbe spájajú prostredníctvom prírub so skrutkovými spojmi, pričom presné osadenie dielov zabezpečujú špeciálne prípravky.

Na kompletné zhotovenie jednej podpery je teda potrebné uskutočniť niekoľko letov. Za tým účelom výrobca oceľovej konštrukcie poskytuje dodávateľovi leteckých prác tabuľky s uvedením presného počtu dielcov, ich výšok a hmotností, na základe ktorých realizátor vypracuje technologický postup montáže, najmä rozdelenie segmentov do jednotlivých letov. Postup montáže jednej z podpier je na obr. 3.

Obr. 3: Postupná montáž rúrového drieku podpery z jednotlivých dielov (autori)

3.1.1 Čiastkový záver

Snímkovanie leteckých prác v poľskom meste Szczyrk možno považovať iba za pilotnú fázu získavania vstupných údajov. Počas snímkovania nebolo možné zaznamenať všetky potrebné dáta, ako napr. časové ohodnotenie niektorých operácií. Ďalší výskum bude preto zameraný na doplnenie chýbajúcich údajov, vrátane rozšírenia potrebných teoretických znalostí najmä vo vzťahu k poznatkom a skúsenostiam pilotov vrtuľníkov. Následne sa prikročí k realizácii ďalších krokov, popísaných v časti 3.

4 ZÁVER

Navrhovaný model stavebného procesu realizovaného vrtuľníkom umožní overiť možnosti simulačného prístupu pri príprave tejto málo preskúmanej oblasti stavebnej výroby, čo prispeje k širšiemu uplatneniu progresívnych nástrojov simulačného modelovania v stavebnej praxi a rovnako vytvorí rámec pre rozvoj inštitucionálneho vzdelávania v oblasti simulácií. Práve tieto úlohy označujú viacerí súčasní autori za najaktuálnejšie.

Spracovanie témy patrí do oblasti medziodborového výskumu, a preto by výsledky riešenia mohli byť v budúcnosti využiteľné aj mimo odboru stavebníctva, najmä v logistike všeobecne.

20


Použitá literatúra

[1] ABOURIZK, S., HALPIN, D., MOHAMED, Y., HERMANN, U., 2011. Research in Modeling and Simulation for Improving Construction Engineering Operations. Journal of Construction Engineering and Management, 137(10), s. 843-852. ISSN 0733-9364.

[2] ALSUDAIRI, A.A., 2015. Simulation as a Tool for Assessing the Economical Aspects of Construction Processes. Procedia Engineering, 118, s. 1086-1095. ISSN 1877-7058.

[3] BISTÁK, A., 2016. Vrtuľníky a ich úloha v technológii stavieb. In: Advances in Architectural, Civil and Environmental Engineering: 26. October 2016, Bratislava. Bratislava: Slovenská technická univerzita v Bratislave, s. 255-260. ISBN 978-80-227-4645-8.

[4] CARAWAY, N.M., MCCREIGHT, J.L., RAJAGOPALAN, B., 2014. Multisite stochastic weather generation using cluster analysis and k-nearest neighbor time series resampling. Journal of Hydrology, 508, s. 197-213. ISSN 0022-1694.

[5] DÚ (Dopravný úrad), 2017. Letecké práce [online]. Bratislava: Dopravný úrad [cit. 13. októbra 2017]. Dostupné na internete: http://letectvo.nsat.sk/letova-prevadzka/osvedcenie-letovej-sposobilosti/formulare/

[6] FEDORKO, G., FICZERI, Š., 2013. Využitie počítačovej simulácie v logistike stavebného procesu. Perner´s Contacts, 8(1), s. 46-52. ISSN 1801-674X.

[7] HULÍNOVÁ, Z., 2011. Analýza stavebných procesov z hľadiska ich modelovania. Bratislava: Nakladateľstvo STU. ISBN 978-80-227-3474-5.

[8] JINDRA, F., 1965. Stavebně montážní práce s využitím vrtulníků v ČSSR. Praha: NADAS.

[9] JUNG, M., PARK, M., LEE, H.-S., KIM, H., 2016. Weather-delay simulation model based on vertical weather profile for high-rise building construction. Journal of Construction Engineering and Management, 142(6). ISSN 0733-9364.

[10] KIM, S.H., AUGENBROE, G., 2012. Using the National Digital Forecast Database for model-based building controls. Automation in Construction, 27, s. 170-182. ISSN 0926-5805.

[11] LEE, H.-S., SHIN, J.-W., PARK, M., RYU, H.-G., 2009. Probabilistic duration estimation model for high-rise structural work. Journal of Construction Engineering and Management, 135(12), s. 1289-1298. ISSN 0733-9364.

[12] MAHMOODZADEH, A., ZARE, S., 2016. Probabilistic prediction of expected ground condition and construction time and costs in road tunnels. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 8(5), s. 734-745. ISSN 1674-7755.

[13] MESSINGEROVÁ, V., 2005. Technológia vzdušnej dopravy dreva v lesníctve. Zvolen: Technická univerzita vo Zvolene. ISBN 80-228-1523-3.

[14] NERADILOVÁ, H. et al., 2016. Simulace zásobování výrobních linek v rámci vnitropodnikových logistických systémů. CAD, 26(1), s. 48-52. ISSN 1805-8418.

[15] RACSKO, P., SZEIDL, L., SEMENOV, M., 1991. A serial approach to local stochastic weather models. Ecological Modelling, 57(1-2), s. 27-41. ISSN 0304-3800.

[16] SHAHIN, A., ABOURIZK, S. M., MOHAMED, Y., 2011. Modeling Weather-Sensitive Construction Activity Using Simulation. Journal of Construction Engineering and Management, 137(3), s. 238-246. ISSN 0733-9364.

[17] SHMÚ (Slovenský hydrometeorologický ústav), 2017. Model ECMWF - popis [online]. Bratislava: Slovenský hydrometeorologický ústav [cit. 22. novembra 2017]. Dostupné na internete: http://www.shmu.sk/sk/?page=1164

21

http://letectvo.nsat.sk/letova

http://www.shmu.sk/sk/?page=1164


PŮSOBENÍ ČESKÝCH ARCHITEKTŮ A INŽENÝRŮ V BULHARSKU (1870-1918): HLAVNÍ POZNATKY BÁDÁNÍ

WORK OF THE CZECH ARCHITECTS AND ENGINEERS IN BULGARIA (1870-1918): MAIN RESEARCH FINDINGS

Ing. arch. Nikolay Brankov

ABSTRAKT

Článek shrnuje základní poznatky výzkumu autora, kterému se věnuje na Fakultě stavební ČVUT v Praze. Téma působení českých architektů a inženýrů v Bulharsku (1870-1918) je dosud systematicky neprozkoumané a v českých odborných kruzích málo známé. Čeští specialisté se zasloužili nejen o rozvoj infrastruktury a první úpravy měst, které předznamenaly nástup moderního plánování, ale také o značnou proměnu architektonického rázu těchto měst. Zanechali po sobě stovky budov všech typů a někteří z nich se zařadili mezi autory nejvýznamnějších staveb poosvobozeneckého Bulharska.

Klíčová slova: Čeští architekti a inženýři, Bulharsko, architektura, urbanismus, období 1870-1918

ABSTRACT

This article summarises the main findings of the author’s research that is realized on the ground of Faculty of Civil engineering CTU in Prague. The topic about work of the Czech architects and engineers in Bulgaria (1870-1918) is still not surveyed systematically and it is little known in the Czech scientific circles. Czech specialists contributed not only for the development of the infrastructure and the first city improvements, that prefigured beginning of modern planning, but also to the radical change of city architectural look. They bequeathed a hundreds of buildings from all types and some of them ranked among the authors of most significant buildings of post-liberated Bulgaria.

Key words: Czech architects and engineers, Bulgaria, architecture, urban planning, period 1870-1918

1 ÚVOD A SPECIFIKA VÝZKUMU

Problematika vývoje architektury v Bulharsku v období od osvobození země z turecké nadvlády (1878) až do konce první světové války (1918) zůstává dodnes rozpracována nesystematicky. Jeden z důležitých aspektů stavebního vývoje země, které jsou v odborné literatuře zastoupeny fragmentárně, je bezpochyby otázka působení českých odborníků, kteří se aktivně zapojili do stavebního rozvoje této balkánské země. Společně s mnoha dalšími představiteli české inteligence, kteří zde v tomto období také působili, se stali nedílnou součástí kultury poosvobozeneckého Bulharska označované jako česká kulturní okupace nebo česká kulturní invaze. Podle posledních zjištění probíhajícího výzkumu autora pracovalo v Bulharsku v oblasti architektury, urbanismu a stavitelství více než 150 českých tvůrců: architektů, inženýrů, stavitelů, krajinářů, sochařů, malířů, nábytkářů, řemeslníků a kameníků. [1]

Proces bulharského národního obrození v 19. stol. byl dovršen během rusko-turecké války (1877-1878) získáním svobody. Bulharské země byly předtím po několik staletí součástí Osmanské říše, což výrazně ovlivnilo jejich historický, společenský a kulturní rozvoj. Období, které následovalo po osvobození, bylo spojeno s institucionálním, ekonomickým i kulturně-společenským budováním nového Bulharska. Mnoho osobností ze všech kulturních a vědních oborů se významně zasloužilo

22


o novodobý rozvoj země. Celá řada z nich přišla z Evropy, přičemž nejpočetnější a nejaktivnější protagonisté evropské kultury přišli z českých zemí. [3,5,6,7,11]

První Češi se začali objevovat na území Bulharska již v 60. a 70. letech 19. stol., přičemž z hlediska historicko-antropologického proběhlo několik významných migračních vln. Největší a nejvýznamnější z nich se odehrála právě po osvobození země. Migrace Čechů byla podmíněna mnoha politickými, ekonomickými a sociálními faktory, největší význam měly asi myšlenky slovanské vzájemnosti. Důležitou roli sehrála také skutečnost, že nová země nabízela téměř neomezené možnosti pro působení a seberealizaci mladé české inteligence. Česká přítomnost v Bulharsku se stala kulturně-společenským fenoménem, který sehrál klíčovou roli v rozvoji země. Jako nositelé evropské kultury Češi přispěli k rozvoji bulharské vědy, umění, vzdělání, ekonomiky, průmyslu, stavitelství. Sledované téma je tak nedílnou součástí rozsáhlejší problematiky česko-bulharských vztahů na přelomu 19. a 20. stol. [3,17]

Působení české inteligence v Bulharsku se dnes těší zvýšené pozornosti badatelů všech oborů. Přesto stále chybí ucelené dílo zabývající se soustavně životem a působení českých techniků v Bulharsku. V různých souvislostech je věnována dílčí pozornost pouze některým známějším architektům a inženýrům. Ve většině případů o nich bývá pojednáváno v kontextu působení evropských specialistů obecně nebo v kontextu působení „rakouských“ specialistů, tedy těch pocházejících ze zemí bývalého Rakouska-Uherska. Nejvýznamnější v tomto ohledu je práce rakouské historičky Marcelly Sternové, která během své dlouholeté výzkumné činnosti osvětlila práci mnoho středoevropských odborníků včetně českých [2,14]. Architekti Christo Gančev a Grigor Dojčinov [9,10] vytvořili celkový obraz působení evropských architektů v Bulharsku a představili první biografický katalog známých tvůrců. Některým českým odborníkům působícím zejména v hlavním městě Sofii se věnovali arch. Dobrina Želevová-Martinsová [15,16], arch. Ljubinka Stoilovová ad. V české odborné literatuře je téma neprozkoumané, jistým pokusem v tomto ohledu byl dokument Šumné stopy arch. Davida Vávry. [1]

Problematika týkající se působení českých tvůrců v Bulharsku skrývá řadu neprozkoumaných témat. Práce mnoha českých techniků zůstává zapomenutá nebo nedoceněná. Dosud chybí jakékoliv snahy tvůrce rozlišovat podle jejich původu a hledat další specifické rysy v práci a tvorbě jedné národnostní skupiny. Žádoucí výzkum v této oblasti umožní lépe identifikovat a definovat rozsah a specifika jejich tvorby a vyvodit nové závěry o vývoji architektury Bulharska. Autorův výzkum jako jeden z prvních navazuje na dosavadní badatelské výsledky, které dále rozvíjí zejména průzkumem historických pramenů. Předmětem zkoumání jsou jak specifika kontextu doby a místa, tak především jednotlivé tvůrčí osobnosti a jejich dílo. Kvůli velkému časovému odstupu výzkum často naráží na nevyváženost informačních zdrojů, kterými jsou dobové textové dokumenty, výkresová dokumentace, pokud je dochována, a další dobové dokumenty. Těžko dohledatelné a téměř nedochované jsou osobní fondy autorů, které lze pokládat za stěžejní prameny. Hlavní pozornost výzkum věnuje zejména období, kdy je česká přítomnost v Bulharsku chápána jako kulturní fenomén. Text shrnuje základní poznatky výzkumu. Z důvodu omezeného rozsahu se zbývá pouze působením architektů a inženýrů. [1]

2 POLE PŮSOBNOSTI ČESKÝCH ARCHITEKTŮ A INŽENÝRŮ V BULHARSKU

Příchod prvních českých inženýrů do bulharských zemí se odehrál ještě před osvobozením. Zejména v letech 1870-1876 se podíleli na projektování, stavbě a následní údržbě železniční dráhy Cařihrad-Belovo barona Moritze von Hirsch, která byla součástí velkolepého stavebního počinů, který dle původních plánů měl napojit Osmanskou říši a Cařihrad na Evropu, a rovněž byl jeden z prvních svého druhu na evropském území říše. Stavba probíhala od r. 1869 na území dnešní států Bulharsko, Makedonie, Řecko, Srbsko a Turecko. Působila zde celá řada českých inženýrů (Bretek, Hladký, Kužel, Pelz, Smetana, Schindler, Švec, Tůma, Weiser ad.). Mezi nejznámější, kteří působili na území dnešního Bulharska, byl inženýr Jiří Prošek, dále A. Pelz, A. Svoboda, E. Hodina a L. Bayer.

23


Během rusko-turecké války (1877-1878) přišli jako doprovod ruské armády někteří další čeští technici jako např. J. Schnitter, K. Trnka, J. Tauchen, A. Kolář, V. Štrupl ad. Společně s již zmíněnými krajany působícími na stavbě železnice se během války významně spolupodíleli na osvobození Bulharska. Řada z těchto techniků pak zůstala v zemi natrvalo. [1,3,8,15,16]

Hlavní vlna českých specialistů přišla po osvobození Bulharska, kdy měli příležitost pracovat v mnoha oblastech architektury a stavitelství. Technici přicházeli na pozvání bulharské vlády nebo z vlastní iniciativy, velmi často i na popud svých kolegů, kteří již v Bulharsku působili. Výsledky výzkumu ukazují, že ve sledovaném období čeští odborníci tvořili až 1/5 ze všech akademicky školených odborníků (jinou skupinou pak byli místní bulharští stavitelé z tradičních lidových stavebních hutí). Nejvýraznější v tomto ohledu byla 80. a 90. léta 19. stol. Charakteristické pro toto období je, že kvůli častým politickým změnám nebo těžkým pracovním podmínkám se technický personál často střídal. Mnozí čeští specialisté tak pracovali na řadě různých pozicí a v různých městech Bulharska. Po čase někteří kvůli nejistým podmínkám Bulharsko opustili, jiní Bulharsku věnovali celý svůj tvůrčí život. Představíme si krátce hlavní kariérní linie. [1]

2.1 Městský architekt či inženýr

Po osvobození veškerá stavební činnost ve městech v Bulharsku přešla do rukou městského architekta, inženýra či technika (tituly byly často zaměňované). Hlavní otázky, které městský architekt řešil, byly spojeny s plánováním a novým rozvojem města. V prvních letech tato práce byla spojena vždy s vypracováním katastrálního zaměření stávajícího stavu města a vypracováním regulačního plánu uliční sítě města (později též nivelačního plánu). Regulační plán byl pro svou nákladnost realizován postupně (průběžné vytyčování nových ulic, návrh vodovodu, kanalizace apod.). Městský architekt se dále zabýval řízením a kontrolou stavební činnosti ve městě (určování stavebních čár, vypracování situací objektů, účast v komisích pro řešení technických otázek), někdy schvaloval soukromé projekty a dozoroval jejich stavbu. V neposlední řadě se zabýval navrhování potřebných veřejných budov (škol, prefektur, radnic, kostelů, nemocnic, krámů, kasáren, věznic, skladišť), které později mohl provádět nebo jen dozoroval jejich stavbu. Často navrhoval i soukromé objekty, zejména obytné stavby. Ve velkých městech se technická oddělení rychle rozrostla a městských architektů/inženýrů bylo více. Na podobné působili (zejména v 80. a 90. letech 19. stol.) L. Bayer, J. Bohutínský, J. Bufa, R. Fišer, J. Hajský, V. Havrda, J. Jukl, A. Kolář, D. Krise, K. Mačas, A. Mladějovský, Jiří Prošek, Josef Prošek, V. Roubal, J. Schnitter, K. Šírek, K. Trnka, K. Vodrážka, J. Weiss ad. [1]

2.2 Krajský (vládní) inženýr

Veškeré stavební procesy v daném kraji naopak byly svěřeny do rukou krajského (vládního) inženýra. Jeho náplní práce bylo plánování nebo provádění infrastrukturních projektů, zejména silnic, mostů, propustek, tunelů, vodovodů, kašen, regulace řek, úprav terénu, opěrných stěn, ale též některých veřejných budov (nemocnic, kasáren, věznic). Kontroloval stavební činnost v kraji a často působil v stavebních komisích pro řešení technických otázek. Dozoroval stavbu veřejných budov, schvaloval soukromé projekty a regulační plány vypracované městskými architekty a vytvářel spojnici mezi vládou a vedením města. Na podobné pozici působili (zejména v 80. a 90. letech 19. stol.) J. Bohutínský, J. Bufa, J. Dlouhý, V. Prošek, F. Fridrich, J. Hajský, J. Ježek, J. Jukl, B. Kočí, K. Mačas, A. Mladějovský, A. Müller, V. Prošek, K. Vosyka, B. Wittich, J. Tauchen, K. Trnka ad. [1]

2.3 Další stání služba

Čeští specialisté se výtečně osvědčili i v dalších státních institucích, zejména při projektování a stavbě mnoha lokálních železničních drah (Belovo-Sofie-Caribrod, Jambol-Burgas, Sofie-Roman, Roman-

24


Pleven-Šumen, Ruse-Gorna Orjachovica-Veliko Tarnovo, Sofie-Pernik-Radomir, Radomir-Kjustendil-turecká hranice), jako vedoucí technických oddělení městských úřadů, inženýři při krajských stálých komisích, na různých pozicích na ministerstvech (vedoucí či zástupci vedoucích, inspektoři), plnili individuální státní úkoly (stavba konkrétních veřejných budov, plánování konkrétních sídel ad.). [1,8]

2.4 Soukromá praxe/architektonické soutěže

V neposlední řadě čeští architekti a inženýři projektovali mnoho soukromých zakázek, kde vynikali zejména J. Jukl, A. Kolář, J. Schnitter, K. Heinrich, Josef Prošek, T. Vrchota, R. Fišer, V. Havrda, K. Šírek ad. Stovky obytných domů, krámů (djukjanů), skladů (magaz), pekáren a výroben vzniklo v uvedeném období podle „českých“ plánů. [1] Mnoho soukromých podnikatelských záměrů v oblasti průmyslu (pivovary, cukrovary) přilákalo další české techniky i české kapitály do Bulharska (R. Picka, M. Blecha, H. Karlík, V. Gail ad.). [1,6] Zde je nutno zmínit i českou účast v bulharských architektonických soutěžích, které přitáhly pozornost známých architektů či umělců jako byli J. Kotěra, B. Hüschmann, A. Balšánek, K. Ernstberger, A. Hrubý, V. Amort, Fr. Rous ad. [1,16]

3 TVORBA ČESKÝCH ARCHITEKTŮ A INŽENÝRŮ V BULHARSKU

Omezený rozsah textu nedovoluje ukázat tvorbu českých architektů a inženýrů v celé šíři. Představíme si krátce hlavní rysy plánování měst a následně jejich architektonické tvorby.

3.1 Plánování měst

Během turecké nadvlády se bulharská města vyvíjela nesystematicky a bez plánu. Společným znakem všech měst byla orientální, rostlá nepravidelná struktura tvořená úzkými křivolakými ulicemi s volně vznikající zástavbou, která již neodpovídala novým sociálně-ekonomickým poměrům, požadavkům hygieny a moderního stavitelství. Některá města a obce navíc v rusko-turecké válce lehly popelem. Ihned po osvobození ruští vojenští inženýři podnikli první práce spojené s regulací městských struktur a založili zde první technické úřady. V následujícím období, zejména v 80. a 90. letech 19. stol., se Češi podíleli na plánování a rozvoji více než 35 bulharských měst. Povinnost vypracování regulačního plánu městským architektem ukládal první bulharský legislativní dokument v oblasti stavitelství: Pravidla pro stavbu soukromých budov v Bulharském knížectví (1881). Pravidla také definovala základní požadavek na úpravu měst na „evropský“ způsob, což znamenalo aplikaci geometrického plánování a moderních paradigmat. Regulace byla nejčastěji spojena s narovnáním a rozšířením stávajících ulic, což se prakticky ukázalo jako nejekonomičtější řešení. [1,5,7]

Obr. 1 Nejznámější uličně-regulační plány: Stara Zagora, Nova Zagora, Sofie a Plovdiv [1,9]

Mezi nejznámější autory městských plánů v Bulharsku patřil Libor Bayer, který vypracoval regulační plány hned několika měst. Plán na obnovu zničené Staré Zagory (1879) je dodnes fascinující ukázkou progresivního plánování, které se diametrálně lišilo od původní struktury města. Plán vznikl na základě ortogonální uliční sítě, aniž by počítal s původními ulicemi nebo dochovanými budovami. Na

25


podobném principu byl založen i plán zničené Nové Zagory (1880-83). Zde však kromě zcela nové pravidelné části Bayer navrhl rekonstrukci původního města vycházející z původní uliční sítě. Plánování a rozvoj hlavního města Sofie představuje samostatnou kapitolu. První plán centrální části vypracoval (1878) Adolf Kolář na principu narovnání ulic. Bylo však rozhodnuto o vypracování plánu celého města, na němž se podíleli také V. Roubal, Jiří Prošek ad. Plán, který byl později realizován (z 1881), však vznikl pod vedením ruského inženýra N. Kopytkina. Tento plán, který doslova vymazal původní město, byl založen na principu radiálně-okrouhlého systému v kombinaci s ortogonálním rastrem. Na jeho realizaci pracovali v letech 1889-93 K. Vodrážka, J. Hajský, Josef Prošek ad. Jedinečnou ukázkou je plán Plovdivu (1890-91) Josefa Schnittera, který bezpodmínečně zachoval původní strukturu města a umožnil rozvoj nových částí v duchu evropských měst. [1,4,5,7,14,15]

Obr. 2 Bulharská města kolem 1900: Vidin, Stará Zagora a Dobrič [1]

3.2 Architektura

Mezi nejvýznamnější české architekty a inženýři v Bulharsku patřili A. Kolář, autor řady významných budov v Sofii, J. Schnitter, který zasvětil svůj život Plovdivu, stále nedoceněný „nediplomovaný“ Tomáš Vrchota, působící ve Vidinu, inženýr a architekt Jiří Prošek, sofijští architekti Josef Prošek a K. Heinrich, A. Tomíšek, R. Fišer, V. Havrda, J. Jukl, K. Šírek, V. Dobruský, ml. ad. Podle „českých“ návrhů vznikla celá řada obytných domů i honosných vil pro bulharské státníky, podnikatele a měšťany. Pro bulharské prostředí typický rodinný dům, který delší dobu bránil zavedení nájemného (bytového) domu, podmínil vznik mnoha různých typů domů (halových, chodbových) provedených v evropském duchu. Silný byl vliv symetrického domu plovdivského typu, který ovlivnil práci českých architektů. Nové čtvrti zajisté připomínali některá evropská zahradní města. [1]

Obr. 3 Obytné domy: 1-Josef Prošek; 2,3-Tomáš Vrchota; 4-Václav Dobruský, ml. [CDA Sofia, DA Vidin]

Čeští architekti se významně projevili také v oblasti veřejných staveb. Mezi nejvýznamnější stavby je chlapecké gymnázium od L. Bayera ve Staré Zagoře (1880-83) po vzoru věhlasného Aprilova gymnázia, neoklasicistní dívčí gymnázium v Plovdivu (1881) a gymnázium v Asenovgradu (1890-91) od J. Schnittera, neorománská vojenská škola v Sofii (1887-92) od A. Koláře, neorenesanční škola v Bregově od T. Vrchoty nebo eklekticky laděná zemědělská škola v Plevenu (1889-kol.1893) od V. Havrdy. Z dalších staveb vyniká neoklasicistní budova ministerstva obrany v Sofii (1879-85) od A. Koláře, radnice v Razgradu od J. Bufy, radnice s divadelním sálem v Plevenu (1890-1893) od V. Havrdy, hotel Bulgaria (1880-81) a vojenský klub (1895-98) v Sofii od A. Koláře. [1,2,3,4,7,9]

Ačkoliv budování sakrálních staveb bylo hlavně v rukou místních stavitelů, významný je počet kostelů, které vznikly podle „českého“ návrhu. České stopy lze doložit dokonce u tří největších

26


katedrál (v Sofii, Varně a Vidinu). Nejpůvabnější kostely navrhl J. Schnitter: památní zvonice „V pamjat osvoboditěljam“ kostela Sv. Bohorodičky (1881), kostel Sv. Cyrila a Metoděje a Sv. Alexandra Něvského v Plovdivu (1882-84) nebo V. Havrda: kostel Sv. Trojice v Plevenu (1893-98). Stylisticky zajímavý je první evangelický kostel v Sofii (1886) od V. Krásného, „ruský“ kostel na Šipce (1881, realizace 1896-1902) od A. Tomíšky, působícího v Rusku ad. [1,4,9]

Desítky inženýrských a průmyslových objektů (pivovarů a cukrovarů) vzniklo podle návrhu nebo z iniciativy českých inženýrů. Mezi nejznámější pivovary patřily pivovar Bratří Proškových v Sofii od Josefa Proška nebo pivovar v Šumenu navržený sládkem Fr. Mildem. Dodnes největší cukrovar v Bulharsku v Gorné Orjachovici, kde vznikla velká česká kolonie, byl dílem firmy Matěj Blecha. [3,6]

Obr. 4 Radnice v Plevenu, kostel Sv. Cyrila a Metoděje a Sv. Alexandra v Plovdivu, vojenský klub v Sofii,

památní zvonice kostela Sv. Bohorodičky v Plovdivu a pivovar Bratří Proškových v Sofii [1]

Čeští odborníci se zabývali všemi typologickými druhy včetně těch, které byly pro Bulharsko nové. To byly např. radnice a sídla nové administrace, které nahradily staré turecké konaky, dále školy, hotely, divadla, nemocnice, kasárny, zvonice, později nájemné domy nebo některé typy průmyslových staveb (pivovary, cukrovary ad.). Z inženýrských staveb to byly zejména železnice, nádraží, tunely, kanály, vodovody ad. Nové masivní budovy a široké ulice postupně měnily měřítko a estetiku bulharských měst. Čeští technici však stavěli i stavby charakteristické pro bulharské prostředí, např. rodinné domy, pravoslavné kostely, kláštery, čitaliště atd. Při návrhu kostelů architekti vycházeli z předpokladů dané typologie, stavba ale většinou dostala novou formu: Schnitterovy kostely se podobaly antickým chrámům, Havrdův kostel v Plevenu má podobu pro Bulharsko netypické dvouvěžové baziliky. Při tvorbě nových budov uplatňovali v různé míře všechny formy pozdního historismu, zejména neorenesanci a neoklasicismus, eklektiku, později také neobaroko, secesi i modernu. Budovy většinou měly pro Evropu běžná kompoziční schémata známá z baroka a klasicismu (zejména fasády s centrálními nebo postranními rizality, uplatnění věží apod.). [1]

4 ZÁVĚR

Text shrnul aktuální výsledky autorova výzkumu, týkajícího se působení a tvorby českých architektů a inženýrů v Bulharsku v letech 1870-1918. Výsledky výzkumu ukazují pozoruhodnou škálu staveb, které čeští architekti a inženýři projektovali a stavěli ve sledovaném období po celém Bulharsku. Paralelně s tvorbou bulharských lidových stavitelů, později školených architektů, a dalších zahraničních kolegů tak významně obohatili paletu bulharské architektonické tvorby zejména v 80. a 90. let 19. stol. o specifickou složku, která měla svoje kvality a význam. České odborníky a výsledky jejich tvůrčí práce lze tedy považovat za nedílnou součást bulharské architektury tohoto období. Byli to zejména čeští architekti a inženýři, kdo v roli městských architektů, krajských inženýrů a dalších státních zaměstnanců uspokojili naléhavou poptávku osvobozeného státu po technickém personálu, který řešil neodkladné úkoly regulace měst a výstavbu potřebných budov. Jako nositelé evropských tendencí v architektuře a stavitelství čeští odborníci přinesli do bulharských zemí nový typ stavitelství a uplatnili všechny estetické, typologické a konstrukční jevy typické pro 2. pol. 19. stol.

Článek byl podpořen granty ČVUT v Praze SGS15/135/OHK1/2T/11 a SGS17/032/OHK1/1T/11.

27


Použitá literatura

[1] Archiv autora.

[2] Аvstrijski architekturni vlijanija v Sofija v kraja na XIX - načaloto na XX vek = Österreichische Architektureinflüsse in Sofia um die Jahrhundertwende. 2 izd. Sofija: Muzej za istorija na Sofija, 1998. 80 s. ISBN 954-8853-12-4.

[3] BRANKOV, Nikolay. Inženýři Proškové – Berounští stavitelé novodobého Bulharska. In: Minulostí Berounska. 2017, roč. 20. s. 253-300. ISSN 1211-9512.

[4] BRANKOV, Nikolay. Josef Schnitter jako otec moderního Plovdivu. In: HOLUBEC, Pavel, ed. Člověk, stavba a územní plánování 9. Praha: České vysoké učení technické v Praze, 2016. s. 60-79. ISSN 2336-7687.

[5] BRANKOV, Nikolay. First steps in urban planning of Bulgarian cities with participation of Czech architects and engineers at the turn of 19th and 20th centuries [online]. In: Stavební obzor. 2015, vol. 10, issue 4, article no. 23. ISSN 1805-2576. [vid. 27.11.2017]. Dostupné z doi: 10.14311/CEJ.2015.04.0023.

[6] BRANKOV, Nikolay. České kořeny průmyslové architektury v Bulharsku. In: POPELOVÁ, Lenka et BRANKOV, Nikolay, eds. AUR14 - Architektura a udržitelný rozvoj. Praha: České vysoké učení technické v Praze, 2015. s. 68-79. ISBN 978-80-01-05738-4.

[7] BRANKOV, Nikolay. Život a dílo Libora Bayera, jednoho z českých průkopníků moderního urbanismu v Bulharsku. In: HOLUBEC, Pavel, ed. Člověk, stavba a územní plánování 8. Praha: České vysoké učení technické v Praze, 2015. s. 65-82. ISSN 2336-7687.

[8] DŽALEVA-ČONKOVA, Anna et al. Istorija na železnicite v Bălgarija. Sofija: Izdatelstvo na VVTU „Todor Kableškov“, 1997. 110 s. ISBN 954-12-0051-6.

[9] GANČEV, Christo, DOJČINOV, Grigor et STOJANOVA, Ivanna. Balgarija – 1900: Evropejski vlijanija v balgarskoto gradoustrojstvo, architektura, parkove i gradini 1878-1918. Sofija: Arch&Art, 2002. 266 s. ISBN 954-8931-24-9.

[10] GANTCHEV, Christo et DOYTCHINOV, Grigor. Österreichische Architekten in Bulgarien 1878-1918. Wien: Böhlau Verlag, 2001. 228 s. ISBN 3-205-99343-8.

[11] MARTÍNEK, Jiří. Bulharsko. Praha: Nakladatelství Libri, 2009. 136 s. Edice Stručná historie států; sv. 61. ISBN 978-80-7277-422-7.

[12] TULEŠKOV, Nikolaj. Architekturnoto izkustvo na starite balgari. Tom 4, Postvazraždane. Sofija: Аrch&Аrt, 2011. 387 s. ISBN 978-954-322-506-4, ISBN 978-954-8931-46-5.

[13] STERN, Marcella. Der Beitrag der österreichisch-ungarischen Monarchie zur Stadtentwiklung in Bulgarien von 1878 bis nach dem Ersten Weltkrieg. In: Bulgarian Historical Revue = Revue bulgare d'Historie. 2004, vol. 32, Issue 1-2. pp. 149-160. ISSN 0204-8906.

[14] ŽELEVA-MARTINS, Dobrina. Čechi – stroiteli na nova sledosvoboženska Balgarija. In: Čechi v Balgarija: Roljata na češkoto prisastvie v balgarskoto nacinalno vazraždane: 19-20 maj 2009 g., Sofija. Sofija, Valentin Trajanov 2009, s. 117-136. ISBN 978-954-9928-45-7.

[15] ŽELEVA-MARTINS, Dobrina. Češkite inženeri-emigranti i moderniziraneto na balgarskoto gradoustrojstvo v kraja na XIX vek. Architektura. 2002, god. XLIX, br. 1, s. 43-45. ISSN 0324-1254.

[16] STOILOVA, Ljubinka. Golemite architekturni konkursi v Balgarija v kraja na XIX i načaloto na XX vek. In: Epochata na car Ferdinand I: Naučna konferencija, Sofija, 20 noemvri 2008: Sbornik dokladi. Sofija, Ženska liberalna mreža 2009, s. 52-61.

[17] STROHSOVÁ, Klára. Migrace Čechů do Bulharska – tzv. „česká invaze“. In: Antropowebzin [online]. 2012, roč. 8, č. 1, s. 32-37. ISSN 1801-8807. [vit. 8.6.2014]. Dostupné z: http://antropologie.zcu.cz/media/document/art_6_strohsova.pdf.

28

http://antropologie.zcu.cz/media/document/art_6_strohsova.pdf


LCA STUDY OF ENVIRONMENTAL IMPACTS OF WWTP Ing. Réka Csicsaiová, Ing. Michal Holubec, PhD., Ing. Veronika Gregušová,

doc. RNDr. Ivona Škultétyová, PhD.

ABSTRACT

This article reviews the environmental impacts of the wastewater treatment plant. The wastewater treatment plant is evaluated using a simplified LCA analysis, as only negative environmental impacts are assessed. The analysis takes place in 4 phases, which is interconnect and interact with another. It is important to correctly specify input data such as a functional unit, reference flow, system boundaries. Subsequently, a characterization model of the product system is created, what presents the wastewater treatment process with all input parameters.

Key words: environmental impact assessment, wastewater, LCA analysis, LCI analysis

1 INTRODUCTION

With the adoption of the Water Framework Directive 2000/60/EC, the SR has undertaken to establish an effective system of protection of aquatic ecosystems. The protection system of aquatic ecosystems also includes the creation of appropriate conditions for drainage and sewage treatment that the EU has established by Directive 91/271/EEC. Even though legislation sets limit values for the amount of pollutants discharged, a breach of the aquatic ecosystem of the recipient may occur. At present, mandatory tools are used to assess environmental impacts of objects. EIA or optional tools, for example, EMAS, GPP or LCA.

It is one of the optional tools of environmental management and can be used in almost every area of the economy. The main idea behind the usage of the LCA study is to limit or even eliminate the adverse environmental impacts arising from the increase in product quality. The main idea behind the usage of the LCA study is to limit or even eliminate the adverse environmental impacts arising from the increase in product quality.

2 DEFINITION AND METHODOLOGY OF LCA

2.1 Definition of LCA

Life Cycle Assessment is an analytical method for assessing the environmental impacts of processes and products. Evaluates their environmental impacts with respect to the life cycle (Kočí 2009, s. 263). The environmental impact of products or processes are reckoned together as an entire chain (Groen et al. 2016, s.1125-1137). LCA ascertains the environmental impacts of products or systems from cradle to grave (Bounocore et al. 2016, s.11).

The methodology of LCA is standardized within EU by ISO Standards 14000 and in Slovakia are most commonly used ISO 14040 and ISO 14044. According to this standard, the LCA is a comparative method that expresses the potential environmental impacts of individual products with respect to the life cycle (ISO 14040). The assessment consists from four phases, which are represented in ISO standards. In figure 1 are illustrated the four phases of LCA.

29


Fig. 1 Life Cycle Assessment phases (Kočí 2009)

2.2 Methodology of LCA

2.2.1 The goal and scope definition

The subject of the assessment and its scope is determined in the first phase of the LCA analysis. In particular, it is necessary to clearly identify the content of the study, the meaning, the target group and the conditions under which the analysis will be valid. Characteristics of technical parameters and requirements are closely related to the determination of the subject of the study. Within the characteristics of the technical parameters, the functional unit, the reference flow and the boundary of the system are determined (Kočí 2009, s. 263). The goal of the analysis is the assessment of the environmental impacts of municipal WWTP. It serves to monitor the current state of operation with its optimization forecast.

2.2.2 Description of the WWTP under study

The WWTP under study is a mechanically-biological treatment plant with low entrainment activation, anaerobic sludge stabilization and with gas management. It was designed for capacity of 80,000 p. e. but currently, it works just about half capacity (46 400 p. e.) because all communities are not connected to the WWTP. Nowadays, some communities that belong to the agglomeration have not built the sewer networks. In the future an increase of number the connected inhabitants and industrial activities, the increase amount of wastewater is expected.

2.2.3 Functional unit

The purpose of the WWTP is to remove the pollutants and reduce the emissions when the treated effluents are discharged to the aquatic ecosystem (Hospido et al. 2004, s. 261-271). Rate of fulfilment of the functional outputs is a functional unit used to measure the comparability of LCA results (Kočí 2009, s. 263). According to Hospido et al. the functional unit can be defined as quantity of removed pollutants, amount of treated wastewater or generated sludge. The amount of wastewater was determined as a functional LCA unit because it was based on the realistic data.

30


2.2.4 System boundaries

System boundaries define important life cycle processes that need to be included in LCA analysis. They greatly influence the outputs of the analysis, so their correct determination is very important (Bounocore et al. 2016, s.11). The boundaries of the system were defined by the potential impacts of sewage at purification levels, so the wastewater treatment system was divided into three subsystems (fig. 2). Subsystem 1 consists the raw waste water inflow and the mechanical treating level (pre-treatment, primary treatment). Subsystem 2 comprises the biological treating level and the discharge of the treated water into the receiving water. The subsystem 3 includes the last part of WWTP the sludge treatment. This subsystem counts the transport of the sludge and its application to the land.

Fig. 2 Model of product system and subsystem defining

2.2.5 Inventory analysis – Life cycle Inventory

The Inventory analysis is concerned with data collection and calculation procedures necessary to complete the inventory (ISO 14040). According to Kočí LCI serves to determine the count of primary flows that are released into the environment during the product life cycle. The inventory function is to focus on environmentally relevant information about participating processes in the product system. The output of the inventory analysis is a set of data called the ecovector. The ecovector summarizes the material flows that enter and exit the system. They are presented in inventory tables – matrices (Kočí 2009, s. 263).

The inventory analysis is based on real measured data for the period of twelve months. All the data are presented in Table 1 and they showed the average measured values of the twelve months period and serve only to illustrate inventory tables. Extensive tables that contain of the amount of inert waste, municipal solid waste and emissions to air were used to perform the analysis.

2.2.6 Life Cycle Impact Assessment

The Life Cycle Impact Assessment is the LCA phase, which aims to convert the results obtained through inventory analysis. It is the conversion of the ecovector (elementary flows) into suitably selected units of impact categories. The basic step of the evaluation is the classification of the elementary flows that are assigned to the individual impact categories. The output of this phase is the characterization profile determined by the impact category indicators (Guinèe et al. 2001, s.19). In addition, the assessment used midpoint characterization model, which was based on the measurable properties of substances representing elementary streams. So, were used the ILCD 2011 impact assessment method, that was created by the Joint Research Centre (JRC) of the European Commission.

31


Inflow from the sewer system

To further v treatment

Emissions to the Environmnet Materials

pH (-) 6,94 7,09 7,26 COD (mg/l) 267,19 164,43 11,09 BOD5 (mg/l) 154,25 89,88 5,63 DS 105 (mg/l) 185,09 86,88 11,14 N-NH4 (mg/l) 16,47 13,8 0,66 N-NO3 (mg/l) 0,29 0,28 7,67 Ntotal (mg/l) 22,17 22,31 10,16 Ptotal (mg/l) 2,46 1,76 0,44 PP-PO4 3- (mg/l) 1,36 0,96 0,24 Elektricity (kWh/year) 1516733

Tab. 1 Inventory data for subsystems 1, 2

The ILCD was developed by analysing several life cycle impact assessment methodologies to achieve a consensus on the recommended method for each environmental theme (Acero et al 2016, s.12). Consequently, the ILCD impact assessment method evaluates the eleven categories of impacts in the analysis i.e. acidification, climate change, resource depletion, ecotoxicity, eutrophication, human toxicity, ionizing radiation, land use, ozon layer depletion, particular matter and photochemical oxidation. Table 2 presents the results of impact assessment.

Impact category Reference unit Result Acidification Mole H+ eq. 9266,0 Climate change kg CO2 eq. 1055379,2 Freshwater ecotoxicity CTUe 41665,0 Ionizing radiaton - human health kg U235 eq. 117829,5 Land use kg SOC 207238,4 Particulate matter/Respiratory inorganics kg PM2.5 eq. 592,9 Photochemical ozone formation kg C2H4 eq. 3000,9 Resource depletion kg Sb eq. 4246,0 Terrestrial eutrophication Mole N eq. 10362,7

Tab. 2 Impact category values

3 RESULTS

The result of the LCA analysis is the large amount of data, which need to be sorted and, if necessary, complemented by advanced data. In general, the interpretation of the analysis based on layout data with respect to the most important processes, sensitivity analysis and the assessment of the uncertainties of the study, the final narrative summary and formulation of realistic recommendations. Although, the result of the analysis is a set of reference units, which is then converted into a percentage of the impact categories for a more transparent presentation.

Figure 3 shows the possible negative environmental impacts of the wastewater treatment process. The most significant negative impacts are reflected in the components of the global impacts (85,5%), which include the impacts of climate change (85%), exhaustion of mineral and fossil resources (0,3%) and photochemical ozone formation (of 0,2%). Smaller impacts are observed when the components of

32


terrestrial eutrophication (0,8%) and acidification (7%), which form the components of the regional impacts. It was important to determine the magnitude of local impacts (freshwater ecoxicity 3,4% and ionising radiation of 9,5%) that describe the possible impacts on the environment in the direct vicinity of the pollution source.

Fig. 3 Environmental impacts of the wastewater treatment plant

4 CONCLUSION

The objective of this contribution was acquainted with the methodology of LCA analysis and its use to assess the environmental impacts of the wastewater treatment plant Kútniky. Using the LCA analysis identified the potential adverse effects of the treatment process of wastewater on the environment. Impact assessment of the life cycle of plants is based on the correct determination of the functions, functional unit of the system, system boundaries and reference units. During twelve months period, thorough the inventory analysis were collected the impute data about wastewater inflow, sludge and discharge. Subsequently, were this data allocated to the impact categories. In the framework of the analysis considers the legislative requirements for emission limit indicator values of impact categories.

Acknowledgements

This work was supported by the Scientific grant agency of MŠVVaŠ SR and SAV (VEGA) under the contract VEGA-1/0631/15 being at the Department of Sanitary and environmental engineering of the Faculty of Civil Engineering the Slovak university of technology in Bratislava.

Environmental Impact of WWTP

Acidification 0,6 %

Climate change 72,8%

Freshwater ecotoxicity 3,9%

Resource depletion 14,6%

Terrestrial eutrophication 0,7%

Ionizing radiaton 8,1%

Photochemical ozone formation 0,2%

33


Literature

[1] Kočí, V. Posudzování životního cyklu, Life cycle assessment – LCA. Chrudim: Vodní zdroje Ekomonitor spol. s. r. o, 2009. 978-80-86832-42-5.

[2] Groen, E.A., Bokkers, E.A.M., Heijungs, R. et al. Int J Life Cycle Assess (2017) 22: 1125. https://doi.org/10.1007/s11367-016-1217-3

[3] Bounocore, E. et al., Life cycle assessment indicators of urban wastewater and sewage sludge treatment. Ecol. Indicat. (2016), https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2016.04.047

[4] ISO 14040: Environmental management, Life cycle assessment, Principles and framework (2006) by International S. Organization

[5] Hospido, Almudena & Moreira, Maria & Fernández-Couto, Mercedes & Feijoo, Gumersindo. (2004). Environmental Performance of a Municipal Wastewater Treatment Plant. The International Journal of Life Cycle Assessment. 9. 261-271. 10.1007/BF02978602.

[6] Guinèe, J. B., Gorreé, M., Heijungs, R., Huppes, G., Kleijn, R., de Konig, A., van Oers, L., Weneger, A., Suh, S., Udo de Haes, H.A., de Bruijn, H., van Duin, R., Huijbregts, M. (2001): Life Cycle Assessment: An operational guide to the ISO standards, Leiden.

[7] Acero, A.; Rodríguez C.; Ciroth A. Impact assessment methods in life cycle assessment and their impact categories. Lcia methods. Berlin: GreenDelta, 2016

34

https://doi.org/10.1007/s11367

https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2016.04.047


POSSIBILITIES OF SLUDGE RECOVERY FROM WASTEWATER TREATMENT PLANT

Ing. Mária Dubcová; doc., RNDr. Ivona Škultétyová, PhD.; Ing. Kristína Galbová, PhD.; Mgr. Mária Trošanová

ABSTRACT

The aim of this study is to focus on environmental benefits, or eventual loads of sludge life cycle in the wastewater treatment process. Life Cycle Assessment was used to evaluate the environmental impacts associated with the treatment of wastewater in a wastewater treatment plant (WWTP) in Vráble, based on the general standard EN ISO 14040. From the measured experimental data, the environmental impacts of the sludge management are quantified using the LCA method. For impact assessment is using the OpenLCA program, together with the available databases and assessment methods. The LCA results of Vráble WWTP taking renewable energy as the energy source proposed that enhancing the effluent quality will decrease the environmental impacts.

Key words: life cycle assessment, wastewater treatment plant, environmental impacts, sludge

Introduction

With the increasing world population, as well as industrial and agriculture activities, countries worldwide face growing global water stress. Sustainability is one of the main concerns in many sectors, which is especially true when concerning water (Beery and Repke, 2010). There is many methods of environmental sustanability. Generally, the choice of “best” water treatment system is based first and foremost on economic and technical constraints (Bonton et al., 2012).

The essence of the application of the LCA study is to avoid increasing the quality of individual products and services at the expense of environmental degradation. LCA is regarded as a universal method that is useful for any organization, regardless of the nature and scope of business. LCA is defined in the international standard EN ISO 14040. The implementation of the method requires processing procedures are formalized, using exact methods, allowing to identify the environmental impacts on the environment. LCA is in industrialized and environmentally conscious states among ordinary tool of environmental management.

The main idea of the application of LCA methods for wastewater treatment, namely sludge produced by the wastewater treatment plant, is to assess the effectiveness and the possibility of treating sludge with a focus on possible negative environmental aspects and a potential use of biogas energy.

1.1 Objectives, goals and phases of LCA

LCA is in standard EN ISO 14040 is defined as the collection and evaluation of the inputs, outputs and impacts on the environment, product-system throughout the life cycle (ISO14040, 2006). Life Cycle Assessment consists of defining the objectives and scope, inventory, impact assessment and interpretation of results. From the structure of the LCA concludes that findings from one phase may affect the basis of the previous phase, which should be reviewed and then go over to the next phase.

35


1.1.1 Objective and scope of the study

The objective and scope of the study set out the context in which the LCA analysis processed while helping to further identify the boundaries with which they will be considered in the analysis. The aim of LCA analysis in this case is to assess the impact of the WWTP to individual components of the environment with an emphasis on human health and the impact on the ecosystem and water system environment.

Very important is to focus on: • a feature of the product • functional unit • examination system product • system boundaries • the type and form of assessment • the use of interpretation • assumptions • restrictions • data requirements and data quality • choice of values and options (ISO14040, 2006)

Functional unit is a measure of performance of the function outputs (Kudláček, 2004). Sludge management can be evaluated in relation to their weight with respect to the production of sludge at WWTP. Within the sludge management and biogas sludge they may also be evaluated with respect to the energy / kg, or in relation to a number of features that their use complies with (the amount of energy produced). The last type of evaluation permits to LCA studies also include the cost and inputs to operate the equipment (Kočí, 2009).

System boundaries are used to determine the process units that must be included in the LCA system. They depend on factors such as; the goal of applying the study, reduction of costs, or the amount of data used [4]. To the border system was selected operating and consumption costs. To compare the environmental impact has not been considered with the construction of facilities with regard to the content and objectives of the study. An important component of borders constitutes the composition of the sludge with an emphasis on nitrogen and phosphorus content, serving for the subsequent quantification of the effects of eutrophication on the environment (Kočí, 2009).

Life cycle inventory phase - LCI is used to determine the amount of elementary streams discharged into the environment during the life cycle of a product. Inventory analysis focuses on data collection process, data and methods used to quantify relevant inputs and outputs of the process under consideration (Cashman, 2014; Stajanča,2011).

2.1 LCA analysis of sludge from WWTP Vráble

2.1.1 Data collection

As part of WWTP sludge management Vráble, excess sludge stored in the storage tank, which also serves as a digester. Subsequently, the sludge is pumped to sludge fields. Within the inventory phase was followed sludge production in each month focusing on the production of raw sludge, sludge water, digested sludge and solids. The measured data are processed in the table 1.

36


Tab. 1 inventory data of sludge

2.1.2 Potential of sludge for bioenergy

The potential of biogas production is quantified by calculating the sludge generated and optimizing biogas production in the digester. Biogas production in heated anaerobic stabilization tanks at 33-40 °C is 750 liters of biogas from 1 kg of organic dry extract of mixed primary and excess sludge. Approximate stabilization time is 11 to 20 days depending on temperature (Drtil, 2007). Furthermore, the biogas is 23 MJ / m3. Production of biogas is also dependent on the sludge composition and on the substances released during stabilization. It contains 60-70% of CH4 methane, 35% of CO2, 0.1% of H2S and small amounts of N2, H2, ammonia, fatty acids, etc. (Hlavínek, 2006).

Natural gas heating ............ 34.25 MJ / m3 = approx. 9.51 kWh Biogas heat .........................23 MJ / m3 = approx. 6.38 kWh The WWTP in Vráble does not produce biogas. The potential of biogas production at the WWTP was calculated from the available measured data based on the conversion of the sludge to 1023.03 MWh.

3.1 Impact assessment

Impact assessment of sewage sludge Vráble is based on assigning the corresponding characterization factors for each elementary stream. We used the values from the inventory phase, namely the inflow of sewage, effluent treatment plants, power consumption, and sludge management of data such as the amount of raw sludge, sludge water, digested sludge and solids. Inventory results were processed using free software OpenLCA using available databases and for evaluating the results.

Results from the first chart shows the possible impact of sludge management to individual components of human health. The greatest negative impact was reflected in constituents human toxicity (45%) and respiratory effects (53%). Minimal impact was reflected in parts of the ozone layer depletion, photochemical oxidation and ionising radiation.

Month 1 2 3 4 5 6 7

Raw sludge [kg] 1322 1250 860 840 1320 1025 1160

Sludge water [m3] 550 144 420 120 120 660 180

Digested sludge [kg] 0 240 720 600 880 1040 680

Solids [kg] 18 11 18 12 22 19 68

Month 8 9 10 11 12 In total

Raw sludge [kg] 1170 1170 1190 1150 1280 13762

Sludge water [m3] 560 270 490 800 610 5014

Digested sludge [kg] 450 560 710 610 520 18776

Solids [kg] 18 11 32 32 0 213

37


Fig. 1 Global environmental impact for human health

In the second method of evaluation, we focused on the potential impact of sludge management on the different quality of the ecosystem quality. The greatest negative impact was reflected in parts of the climate change (50%) and terrestrial ecotoxicity (42%).

Fig. 2 Global environmental impact for ecosystem quality

4.1 Conclusion

The goal of this paper was to introduce the issue of the application of LCA and implement methods of sludge from wastewater treatment plant in Vráble. The essence of the method of applying the LCA was to evaluate the potential hazardous effects on the individual components of the environment and the subsequent percentage of the impact. The key to proper implementation of the understanding of the life cycle of sewage sludge in connection with EN ISO 14040. The assessment is based on correct identification study objectives, scope, system boundaries and functional unit. A significant part of the assessment is based on the legislative limits of individual indicators. In the sludge management is important to focus on the potential use and disposal of sludge, from which subsequently impact on the environment. The challenge is the determination and analysis of elements which are not provided with sufficient legislation and, therefore, the monitoring is not sufficient.

0,9%

45%

0,1%

53%

1%

Global Environmental Impact for Human Health

human toxicity

ozone layer depletion

respiratory effects (inorganics)

photochemical oxidation

ionising radiation

42%

0,1%7,5%

50%

Global Environmental Impact for Ecosystem Quality

aquatic ecotoxicity

terrestrial acidification &nutrification

climate change

terrestrial ecotoxicity

38


Acknowledgment This work was supported by the Slovak Research and Development Agency under the contract VEGA 1/0631/15. Literature [1] Beery, M., Repke, J.U., 2010. Sustainability analysis of different SWRO pre-treatment

alternatives. Desalin. Water Treat. 16, 218e228.

[2] Bonton, A., Bouchard, C., Barbeau, B., Jedrzejak, S., 2012. Comparative life cycle

assessment of water treatment plants. Desalination 284, 42e54.

[3] Cashman, S. a kol.: Environmental and cost life cycle assessment of disinfection options for municipal wastewater. Washington DC: EPA, 2014

[4] Drtil, M., Hutňan, M., 2007. Technologický projekt - časť Procesy a technológie čistenia odpadových vôd.

[5] Hellweg S., Doka G., Finnveden G., Hungerbühler K. (2005). Assessing the eco-efficiency of end-of-pipe technologies with the environmental cost efficiency indicator, a case study of solid waste management. J. Ind. Ecol., 9(4), 189-203

[6] Hlavínek P., a kol, 2006. Stokování a čištení odpadních vod. Brno: 2006.

[7] ISO 14040:2006 Environmental management, Life cycle assessment, Principles and framework (2006) by International S. Organization

[8] ISO 14044: 2006 Environmental management,Life cycle assessment,Requirements

[9] Kočí, V., Posuzování životního cyklu. Chrudim: Vodní zdroje Ekomonitor

spol. s.r.o., 2009. ISBN 978-80-86832-42-5.

[10] Kudláček I., Hejhal T.: Ekologický pohled na materiálovou strukturu transformátoru. Dielectric and Insulating Systems in Electrical Engineering. Bratislava, Slovak University of Technology, 2004, díl 1, s. 48-52. ISBN 80-227-2110-7

[11] Stajanča, M.: Analýza životného cyklu ako nástroj hodnotenia environmentálnych vplyvov stavebných výrobkov In: Juniorstav 2011: 13 th Professional Conference of Postgraduate Students: Brno : 4.2.2011 p. 1-6. ISBN: 978-80-214-4232-0

39


DETECTION STEEL OF CONCRETE REINFORCEMENT - TEST OF SELECTED EQUIPMENT

Ing. Marek Ďubek, PhD., Ing. Marián Bederka, RNDr. Michal Grinč, PhD.

ABSTRACT

At the rapid pace of construction currently under construction, there is a great deal of pressure on the contractor on the part of the investor. Adherence to endorsement dates is a priority but often only one contractor is assigned to a particular building by the contractor. Such a reassessment of the forces of the construction manager or his assistant may lead to construction failures. In the event of a breach, it is difficult to determine its origin - the cause. Examples are concrete structures where it is not easy to determine whether the reinforcement was made according to the design documentation. There are two possibilities of verifying the rigidity of the reinforcement, either destructively or using non-destructive methods using detector devices. The article describes the current possibilities of detecting reinforcement in already constructed constructions using selected detectors.

Key words: steel reinforcement, detection, devices

1 INTRODUCTION

Only concrete reinforcement and connecting materials that match up to STN and project documentation (PD) may be used for reinforcement concrete structures. The marking and storage of these materials have to allow to be reliable identified. The requirements for concrete reinforcement, its properties, transport, storage, treatment, inspection and testing are set down by relevant regulations of STN EN 10080 and STN EN 13670. The features of concrete are determined by STN EN 206 which also applies to its production and testing. For making concrete construction applies STN EN 13670. Special attention should be paid to storing of the reinforcement to avoid exchange (reliable identification of species and deliveries has to be ensured). It is necessary to prevent a local corrosion of a higher degree (more than slight rusting) to prevent the reinforcement from coming into contact with an acidic or alkaline environment and so on. It is necessary to prevent welding be near to the restressing reinforcement without adequate protection against drops of molten material. The handling with the reinforcement has to be on clean surfaces that don´t cause any contamination or mechanical damage. [4]

The induction electromagnetic test is performed according to STN 73 2011. It is used to set down the position, diameter, the amount of reinforcement and thickness of the cover layer over the reinforcement in the concrete´s structures and parts. The obtained results can be verified after the approval by direct measurements of the search parameters in destructive probe after the concrete layer is removed. Non-destructive tests of concrete are determined by STN 73 2011 and STN 73 1370 [6, 7] and other related standards. Non-destructive testing of concrete can only be performed by competent people. In the case of arbitration examinations, the non-destructive tests are performed by an accredited test room or an independent professional institute.

2 MEASURED CONSTRUCTION

Measurement using the above-mentioned instruments and comparison of their results (where their correctness was verified in executed reinforcement construction) was performed on the wall

40


construction of the elevator shaft of a polyfunctional building. This reinforced concrete construction was reinforced on both sides. The exact position of wall reinforcement was measured and logged before the construction of second wall form and fill with concrete was performed. The measured position serves as the reference position of the reinforcement. The reinforcement is stressed while concreting which may result in its deflection. In case of test it was considered to be undamaged. The diameter of rods of tested reinforcement is 12 mm and the horizontal and vertical gaps are 200 mm in diameter. Figure 5 shows the reinforcement of the wall before concreting. Measurement is shown in the picture below. Based on the measured values of the actual status of reinforcement, the design of the reinforcement position was made by using Cad-program. Measurements were repeated three times to provide adequate results.

Fig. 1 The reinforcement is drawn after its positioning and positioning, in the green frame the detected

area is marked

41


Fig. 2 To the left of the reinforcement before casting, to the right after casting

3 REINFORCEMENT DETECTION BY NON-DESTRUCTIVE METHODS

For reinforcement detection of reinforced concrete construction, we can find different types of Instruments in the current market. The measurement method is mostly based on similar principles, the difference is in their correctness of measurement, the range of measurement, the method of delineation the outputs and the measurement possibilities directly on the constructions. The geophysical method of GPR (georadar) or profometer is used to find the location and depth of the reinforcement cover in the concrete structure. The GPR method is based on the principle of emitting an electromagnetic signal in the examined environment and its subsequent registration. The resulting signal is analyzed and then interpreted. The position of the first reinforcement layer and the approximate thickness of the cover concrete layer can be measured. The limitation of the measurements increases and the corectness of the measurements decreases towards another layer of reinforcement and towards the core of the concrete structure. In case of absence of the project documentation of the object respectively of the construction we can use this method to define the approximate position and basic parameters of the examined reinforcement in the construction. If the project documentation is available, we can use this method as a control method to verify the designed status.

The Measurement by the Profometer is based on the principle of electromagnetic pulse induction. In the device there are coils into which electrical pulses are periodically emitted during the measurements. This process generates a magnetic field. Surfaces of electrically conductive materials which are in the primary magnetic field produce secondary whirling streams by the activity of the magnetic field. These streams induce the magnetic field of the opposite direction. The change of the magnetic field is logged up, due to this change results in measurement – research. The method is ineffective in the research of all non-conductive materials (for example concrete, plastic, wood, brick, etc.).

On the market we can find devices based on the principle of using ultrasound or X-ray radiation. This group of devices has a great disadvantage. It is their complexity to use IN-SITU especially for their dimensions and financial costs. Testing measurement on the building was made by using inductive - electromagnetic instruments from various producers. These were provided by the company engaged in the monitoring and detection of buildings - INSET s.r.o..

42


3.1 Selected reinforcement detection devices and their outputs

Devices offer different patterns of outputs. All of them show IN-SITU measurements directly on construction and allow to measure cover reinforcement, gaps - position and diameter of the reinforcement. Initial setting of estimated values and the way of outputs is necessary. From the available devices for comparison and approximation of detection possibilities for the concrete reinforcement the following instruments were used:

- Hilti PS 1000,

- Proceq Profometer,

- Hilti PS 200,

- Hilti PS 38.

The surface of the reinforced concrete wall was measured by using devices and the measured values were then processed. The outputs are interpreted in graphical form and we can read position and the diameters of reinforcement. When the measuring device is set up correctly it is possible using the device to draw individual /rods/ on the construction. The tolerance of the device is stated by the provider, but the tolerance can also be affected by the thickness of the reinforcement, the reinforcement diameters, the cover and also the features of the construction. The first three devices provide outputs editable by computer. After the delineation by computer it is possible to get better picture of the position and its dimensions.

Fig. 3 On the left-hand side of the Hilti PS 1000, right on the software output

3.2 Measurements results

Measurements were realized by each of these devices and the position of the reinforcement was verified horizontally and vertically direction too. For measurements it is necessary to follow the manual and instructions contained in it because the devices have predefined measurement methods. During measurements with individual devices all measured positions of the reinforcement were delineate on the construction wall and then compared with the results of other devices. The measurements have confirmed the influence of the vertical reinforcement on the detected reinforcement. By parallel measurement of similar constructions with thicker reinforcement, the results were also distorted. Vertical reinforcement that do not pass through the entire height of the

43


wall, but only up to 1100 mm, was also hard to detect for the devices. This was mainly due to the higher reinforcement density and the greater thickness of the reinforcement cover. Figure 11 shows the measured vertical reinforcement positions and figure 12 shows the positions of horizontal reinforcement. The dispersion of the measured values varied (compared to the measured reinforcement position before the concrete was placed in the form) from 5 to 25 mm.

Fig. 4 Output from vertical reinforcement measurement

Fig. 5 Horizontal reinforcement measurement output

4 CONCLUSION

Under ideal conditions respectively on the theoretical level it would be possible to say that the measurement - verification of the reinforcement position is simple by using these devices. The problem occurs in practice when the measurement result depends on a large number of factors. The described methods of detection of reinforcement position in the reinforced concrete construction belong to non-destructive methods, more precise determination of measurement error of devices is subject to comprehensive study. As it is not always possible to perform destructive tests, usually experts, structural designers or construction supervisors have a challenging task to determine the reinforcement position. Although the current market offers a many of devices with different functions, technologies and different prices, the process of verifying reinforcement position is a challenging and complex process. The results are not always ideal and often fail the detection requirements. Therefore, it is best to choose the most appropriate device regarding the accuracy of the results, the dimensions, the software support, the possibilities of using the INSIT and the price. It is also necessary to consider the depth range - the depth of detection to verify the possible second series of reinforcement. The

44


devices, that were tested, could be used and detected reinforcement with the support of company INSET s.r.o., the Žilina division.

Literature

[1] Concrete reinforcement. [Online] http://www.wikiwand.com/cs/Beton%C3%A1%C5%99sk%C3%A1_v%C3%BDztu%C5%BE#/betkce1.

[2] FOLLOWS, J., 1977, Vanguard Plastics Ltd.. Bar spacer for reinforced concrete. Patentový spis 4063397. [Online] https://www.google.com/patents/US4063397?hl=sk.

[3] Limited, Max F., 2011. Bar spacers made from extruded fibre-reinforced concrete [Online] http://www.maxfrank.co.uk/uk/products/spacers/extruded-fibre-reinforced-concrete-spacers.php.

[4] Ministry of Transport, Construction and Regional Development of the Slovak Republic. 2013. TKP part 15, CONCRETE CONSTRUCTION GENERAL, Technical and qualitative conditions MDVRR SR, 2013, [Online]

[5] STN EN 10080 Steel for reinforcing concrete. Weldable steel reinforcement. Generally

[6] STN EN 13670 Construction of concrete structures

[7] STN 73 2011 Non-destructive testing of concrete structures

[8] STN 73 1370 Non-destructive testing of concrete. Common provisions

45

http://www.wikiwand.com/cs/Beton%C3%A1%C5%99sk%C3%A1_v%C3%BDztu%C5%BE

https://www.google.com/patents/US4063397?hl=sk

http://www.maxfrank.co.uk/uk/products/spacers/extruded


UDRŽATEĽNÉ HOSPODÁRENIE S ČISTIARENSKYM KALOM NA SLOVENSKU

SUSTAINABLE MANAGEMENT OF SEWAGE SLUDGE IN SLOVAKIA

Ing. Kristína Galbová, PhD., Ing. Veronika Gregušová, Ing. Jaroslav Hrudka, PhD., doc. RNDr. Ivona Škultétyová, PhD.

ABSTRAKT

V súčasnosti je v rámci kalového hospodárstva potrebné orientovať sa v smere ďalšieho znižovania kontaminácie kalov, a to aj z pohľadu organickej kontaminácie v zmysle právnej úpravy pripravovanej EÚ. Technológie kalového hospodárstva je potrebné nielen zdokonaľovať, ale súčasne aj optimalizovať a racionalizovať. Tieto požiadavky sa na poli výskumu a vývoja premietajú do zvýšeného záujmu o nové poznatky z oblasti kalového hospodárstva.

Klúčové slová: čistiarenský kal, produkcia, zhodnocovanie

ABSTRACT

At present, it is necessary to focus on sludge management in the direction of further reduction of sludge contamination, including from the point of view of organic contamination under EU legislation. Sludge management technologies it is necessary not only to improve, but at the same time optimize and rationalize. These requirements are in the field of research and development reflected in the increased interest in new knowledge in the field of sludge management.

Key words: sewage sludge, production, recovery

ÚVOD

Čistiarne odpadových vôd (ČOV) sú dôležitými zložkami ochrany životného prostredia na celom svete. Kalové hospodárstvo predstavuje dôležitú časť čistenia odpadových vôd. Súčasťou procesu čistenia odpadových vôd je riešenie problému uloženia a následného odstránenia kalov, vznikajúcich pri čistení odpadových vôd. Ich množstvo nie je zanedbateľné [3]. V súlade s princípmi ochrany životného prostredia je očakávaný výrazný nárast produkcie čistiarenských kalov. Spracovanie kalov musí podobne ako samotné čistenie odpadových vôd napĺňať celú radu stále sprísňovaných pravidiel a limitov. Posúdenie funkčnosti kalového hospodárstva je základným podkladom pre efektívne nakladanie a využívanie spracovaného kalu.

Na veľkých čistiarňach odpadových vôd kalové hospodárstvo spotrebováva zhruba polovicu prevádzkových nákladov a na druhú stranu predstavuje predaná elektrická energia z bioplynu, okrem stočného, ďalší významný zdroj príjmu prevádzkovateľov. Aj z týchto dôvodov je potrebné technológie kalového hospodárstva nielen zdokonaľovať, ale aj optimalizovať a racionalizovať.

V krajinách EU je v súčasnosti využívaných cca 40 – 45% čistiarenských kalov, z ktorých je väčšina z tohoto množstva využívaná v poľnohospodárstve. Z toho je 30 – 35% kalov ukladaných na skládky odpadov, 15 – 20% kalov sa spaľuje a 5 – 10% je využívaných v stavebníctve.

46


Produkcia a zneškodňovanie čistiarenského kalu

Nakladanie s kalmi podľa kritérií, ktorých spoločným menovateľom je ochrana životného prostredia, podlieha v zásade právnym predpisom podľa zákona o vodách, zákona o odpadoch a zákona o aplikácii čistiarenského kalu a dnových sedimentov do pôdy.

Čistiarenské kaly predstavujú vo všetkých vyspelých krajinách značné objemy a hmotnosti z celkových tokov odpadov, ktoré je potrebné zneškodňovať. V dôsledku budovania verejných kanalizácií a čistiarní odpadových vôd bude produkcia čistiarenských kalov v blízkej budúcnosti rásť. Produkcia čistiarenských kalov v Slovenskej republike predstavuje 50-60 tisíc ton sušiny za rok, Tabuľka 1.

2010 2011 2012 2013 2014 2015

Slovenská republika 54,76 58,72 58,71 57,43 56,88 56,24

Česká republika 196,3 217,9 263,3 260,1 238,59 210,24

Poľsko 526,7 519,2 533,3 540,3 556 568

Maďarsko 170,34 168,33 158,82 170,25 166,52 156,89

Rakúsko 262,8 - 266,3 - 239,044 -

Tab. 1 Celková produkcia čistiarenského kalu v EÚ za roky 2010-2015 [tis. ton/rok] Zdroj: EUROSTAT

Medzi najčastejšie spôsoby využitia čistiarenských kalov patrí kompostovanie, jeho priama aplikácia na poľnohospodársku pôdu, rekultivácia, spaľovanie a skládkovanie. Spôsoby zneškodňovania čistiarenského kalu v Slovenskej republike, podľa štatistického úradu Európskych spoločenstiev (EUROSTAT) za roky 2010-2014, Tabuľka 2.

[%/rok] 2010 2011 2012 2013 2014

Využitie kalu v poľnohospodárstve 1,68 0,61 2,13 0,91 0

Použitie na kompostovanie a iné využitie 64,44 64,03 62,73 61,31 45,80

Uloženie na skládku odpadov 12,23 14,04 13,30 11,56 7,58

Spaľovanie 0 0 5,45 8,72 28,20

Tab. 2 Spôsoby zneškodňovania kalu za roky 2010-2014 v SR Zdroj: EUROSTAT

Z celkovej produkcie kalov Slovenská republika využíva v poľnohospodárstve najmenšie percento z celkovo vyprodukovaných kalov (Tabuľka 1). V roku 2012 to bolo 2,13 % (najviac za uvedených päť rokov), avšak v roku 2013 a 2014 bola aplikácia čistiarenského kalu priamo do poľnohospodárskej pôdy minimálna až nulová. Dôvody, prečo nie sú kaly viac využité do pôdy sú viaceré, je to však najmä prekračovanie povolených limitov vybraných rizikových látok. Nakladanie s kalmi podľa kritérií, ktorých spoločným menovateľom je ochrana životného prostredia, podlieha v zásade právnym predpisom podľa zákona o vodách, zákona o odpadoch a zákona o aplikácii čistiarenského kalu a dnových sedimentov do pôdy.

Spôsoby zneškodňovania kalov

Členské štáty EÚ používajú rôzne metódy a spôsoby na zhodnocovanie a zneškodňovanie čistiarenských kalov. Preferovaným spôsobom zhodnocovania kalov je ich materiálové alebo

47


energetické využitie, v prípade čistiarenského kalu aj využitie obsahu živín N, P a stopových minerálnych látok aplikáciou do pôdy.

Energetické zhodnocovanie kalov

Pri energetickom zhodnocovaní hovoríme o dvoch metódach – splyňovaní a spaľovaní. Splyňovanie rozdeľujeme na dve základné časti – termochemické (termické splyňovanie) a biochemické (anaeróbne splyňovanie). Termické splyňovanie je endotermický proces, pri ktorom sa spáliteľné zložky paliva premenia na plyn. Tie nasledovne po pridaní vzduchu horia. Pri anaeróbnom splyňovaní získavame vďaka rozloženiu organických látok bioplyn. Ten následne môžeme využiť na výrobu elektrickej energie a tepla [4].

Spaľovanie je exotermický dej, pri ktorom sa energetický obsah kalu mení na teplo horením. Tento spôsob zhodnocovania kalov volíme vtedy, ak sa organický materiál kalu nedá využiť inak. Spaľovaním kalu môžeme dosiahnuť výrazné zredukovanie jeho množstva, kedy produktom spaľovania je už len popol, ktorý je potrebné následne skládkovať. Medzi výhody spaľovania možno zaradiť aj celkové zneškodnenie patogénnych organizmov a rozklad väčšiny toxických látok. Zodpovednou časťou je kvalita exhalátov, ktoré musia byť čistené, aby dosiahli požadované parametre [5].

Z technického hľadiska existujú dva modely spaľovania čistiarenských kalov, a to spaľovanie vysušeného kalu a spaľovanie vlhkého kalu s iným palivom. Spaľovanie kalu je vhodné pre kaly s vyšším obsahom organickej hmoty, ktorá je hlavnou spáliteľnou zložkou. Používa sa pre kaly obsahujúce oleje alebo toxické organické látky. Spaľovanie kalu sa môže realizovať aj spolu so spaľovaním komunálneho odpadu. Pri vyhnívaní kalu vo vyhnívacej nádrži sa časť organickej hmoty premieňa na bioplyn, ktorý je tvorený zmesou metánu (asi 60 - 70%) a 58% oxidu uhličitého. Práve vďaka metánu je bioplyn cennou energetickou surovinou. Najefektívnejší spôsob jeho využitia je pre pohon spaľovacích motorov spojených s agregátom na výrobu elektrickej energie. Tieto zariadenia sa nazývajú kogeneračné jednotky na výrobu elektrickej energie a tepla. Teoreticky môže byť využitie bioplynu viac ako 80% [5]. Pri spaľovaní kalov sa znižuje množstvo ukladaného kalu na skládky odpadov. Tento spôsob zneškodňovania sa v súčasnosti považuje za moderný spôsob likvidácie odpadov. Výhodou spaľovania čistiarenských kalov je značná redukcia ich objemu a hmotnosti v porovnaní s pôvodným množstvom.

Materiálové zhodnocovanie kalov

Najčastejšími metódami materiálového zhodnocovania kalu sú kompostovanie, rekultivácia a aplikácia do pôdy. V poslednej dobe sa kal začal využívať ako materiál, z ktorého sa vyrábajú rôzne výrobky, alebo tvorí prísadu vo výrobkoch, (napríklad ako tlmiaca zložka pri stavbe ciest).

Kompostovanie je spôsob využitia biodegradabilných odpadov k výrobe organického hnojiva – kompostu. Premenu organickej hmoty odpadov na humusové zložky pri kompostovaní zabezpečujú zväčša aeróbne mikroorganizmy. Základnou podmienkou aeróbneho procesu je prívod vzduchu. Jedná sa o analogické procesy ako napr. pri premene hmoty v prírodnom prostredí [4].

Rekultivácia je druhom krajinného plánovania, pri ktorom dochádza k navracaniu poškodenej alebo úplne zničenej krajiny do pôvodného stavu. Jej hlavným cieľom je dosiahnuť stav, čo najviac podobný pôvodnému stavu, a zmierňovať dopady na životné prostredie zmenami fyzických, chemických alebo biologických vlastností. Snahou je vytvoriť podmienky pre sebestačný ekosystém, ktorý je biologicky aj esteticky prijateľný [4]. Najčastejšími objektmi rekultivácie sú skládky odpadov, kontaminované územia, lomy, pieskovne, doly, atď...

48


Kaly sa najviac využívajú pri vytváraní rekultivačných substrátov, kde sa miešajú s odpadovými zeminami, popolčekom zo spaľovania hnedého uhlia a ďalšími odpadovými látkami. Cieľom je vytvorenie zmesi, ktorá bude vhodným podkladom pre rast rastlín. Táto zmes sa vytvára kompostovaním pri kontrole jej fyzikálnych a chemických vlastností – vlhkosť, obsah živín, pH. Výsledná zmes musí spĺňať limity určené zákonmi o nakladaní s odpadom a o aplikácii odpadových látok do pôdy. Medzi ne patrí napr. obsah ťažkých kovov, negatívny výskyt patogénnych organizmov ako napr. Salmonela a tak isto výskyt rôznych nepriaznivých baktérií. Výsledná zmes by sa teda mohla používať aj ako organické hnojivo pre poľnohospodárske účely, no vo väčšine prípadov sa využíva len k rekultivácii plôch, kde sa už nikdy nebudú pestovať poľnohospodárske plodiny (skládky odpadov, rekultivácie odkalísk, ...) [4].

Aplikácia kalov do pôdy - pri tomto spôsobe zhodnocovania kalov platia prísne podmienky pre kvalitu aplikovaného kalu. Aplikovať je možno len stabilizovaný a hygienizovaný kal, pretože surový kal obsahuje veľké množstvo nebezpečných látok a mikroorganizmov škodlivých ako pre človeka, tak aj pre zvieratá [5]. Pri nedostatočnom obsahu organických látok v kale je možné použiť ho v zmesi s inými hnojivami. Pri kompostovaní a rekultivácii sú kaly aplikované do pôdy vo forme zmesí alebo substrátov, ktoré prešli procesom kompostovania. Aplikovanie kalu do pôdy je ošetrené zákonom č. 188/2003 Z.z. o aplikácii čistiarenského kalu a dnových sedimentov do pôdy a o doplnení zákona č. 223/2001 Z. z. o odpadoch a o zmene a doplnení niektorých zákonov v znení neskorších predpisov (Príloha č.2).

Ukazovateľ

Limitné hodnoty koncentrácie

[188/2003/Z.z.]

(mg/kg sušiny)

Limitné hodnoty koncentrácie

[86/278/EEC]

(mg/kg sušiny)

Arzén 20 -

Kadmium 10 20 - 40

Chróm 1 000 -

Meď 1 000 1 000 - 1750

Ortuť 10 16 - 25

Nikel 300 300 - 400

Olovo 750 750 – 1 200

Zinok 2 500 2 500 – 4 000

Tab. 3 Limitné hodnoty koncentrácie rizikových látok v čistiarenskom kale [1,6]

Analýza čistiarenského kalu musí obsahovať stanovenie najmä:

• obsahu sušiny, organického podielu, • hodnoty pH (určuje sa podľa pestovaných plodín), • celkového obsahu dusíka, fosforu, draslíka a horčíka, • obsahu ťažkých kovov (Arzén, Kadmium, Chróm, Meď, Ortuť, Nikel, Olovo a Zinok), • mikrobiologických parametrov [6].

Význam obsahu sušiny je praktický aj ekonomický, má dôležitú úlohu pri transporte, skladovaní a manipulácii s kalmi.

49


možnosti výhody obmedzenia Materiálové zhodnocovanie kalov

poľnohospodárstvo rekultivácia

lesné hospodárstvo záhradníctvo

obsahu živín N, P a stopových minerálnych látok

organické látky – kompost nízka cena/nenáročná technológia

rekultivačné substráty

kontrola zraniteľnosť

variabilný dopyt kvalita - obsah ťažkých kovov

konkurencia

Energetické zhodnocovanie kalov

splyňovanie spaľovanie

doplnkové palivo

„zelená“ energia náklady na dopravu kontinuálny proces

obsahom organickej hmoty vnímanie verejnosti kontrola plánovania

náklady emisie

zneškodňovanie popolčeka

Zneškodňovanie kalov skládkovanie

nízke náklady nenáročná technológia „naplniť a zabudnúť“

emisie plynov priesakové kvapaliny znečistenie

vôd a pôdy záber pôdy

Tab. 4 Hlavné možnosti spracovania a likvidácie kalu

Dostupné možnosti zhodnocovania a zneškodňovania kalov a ich praktické výhody a obmedzenia možno zhrnúť v Tabuľke 4. Pri hodnotení týchto možností by sa mali zohľadniť všetky vstupné a výstupné toky na základe hodnotiacich kritérií, napríklad:

• Právne - miestne, národné, medzinárodné • Stratégia - politická, sociálna • Životné prostredie - vzduch, voda, hluk, ekológia, bezpečnosť, energia • Plánovanie - krajina, priestor, infraštruktúra • Technické - flexibilita, zložitosť, spoľahlivosť • Finančné - kapitálové a prevádzkové náklady, externé náklady

Trvalo udržateľný rozvoj a hierarchia odpadov si vyžaduje materiálovú integráciu tam, kde je to možné a preto je potrebné hľadať, optimalizovať a modifikovať technológie a postupy [2].

ZÁVER

V súčasnosti sú spôsoby zhodnocovania a zneškodňovania čistiarenských kalov aktuálnym ekonomickým a hygienickým problémom. Čistiarenské kaly v tekutom, mierne zahustenom, odvodnenom alebo vysušenom stave sa často používajú k priamej aplikácii na poľnohospodárske a lesnícke pôdy, ako aj pri rekultivácii a výrobe kompostu. Pred ich použitím je nevyhnutná stabilizácia a hygienizácia rôznymi prostriedkami a metódami. Jednou z najmenej záťažovou je jeho hygienizácia termickým efektom. Hlavnou požiadavkou pre využívanie čistiarenských kalov v poľnohospodárstve je ich nezávadnosť, a to z hľadiska možného vnesenia cudzorodých látok do pôdy a z hľadiska hygienického. Preto je potrebné hľadať, vyhodnocovať a voliť postupy, ktoré sú technicky a ekonomicky dosiahnuteľné a v bežných terénnych podmienkach realizovateľné. Súčasne musia byť spoľahlivé a pôsobiť v čo najširšom spektre. Pri nakladaní s kalmi z komunálnych ČOV je pri voľbe technológie zhodnocovania kalov potrebné postupovať tak, aby sa minimalizovali účinky negatívnych dosahov na životné prostredie.

Poďakovanie

Táto práca bola podporovaná Vedeckou grantovou agentúrou MŠVVaŠ SR a SAV na základe zmluvy č. VEGA-1/0631/15 riešenej na Katedre zdravotného a environmentálneho inžinierstva Stavebnej fakulty STU v Bratislave.

50


Literatúra

[1] Council of the EU. Council Directive 86/278/EEC on the Protection of the Environment, and in Particular of the Soil, when Sewage Sludge is Used in Agriculture, 1986.

[2] Hall, J.: Ecological and economical balance for sludge management options. Workshop on problems around sludge. Session 3: Technology and innovative options related to sludge management. EUR 19657 EN p.155, Stresa, Italy 2000.

[3] Hing, C.L., Zenz, D.R. and Kuchenrither, R.:Municipal sewage sludge management - processing, utilization and disposal. Water Quality Management Library, Vol. 4, Technomic Publ., Lancaster 1992.

[4] Lyčková, B., Fečko, P., Kučerová, R.: Zpracování kalů. Ostrava: VŠB - Technická univerzita Ostrava, 2009. ISBN 978-80-248-1921-1.

[5] Zborník konferencie: Kaly a odpady 2008, ISBN 978-80-98088-62-1

[6] Zákon č. 188/2003 Z.z. o aplikácii čistiarenského kalu a dnových sedimentov do pôdy a o doplnení zákona č. 223/2001 Z. z. o odpadoch a o zmene a doplnení niektorých zákonov v znení neskorších predpisov.

51


IN-SITU MEASURED VELOCITY IN THE SECODARY SETTLING TANK AND ITS APPLICATION FOR THE FLOW

SIMULATION

Ing. Veronika Gregušová, Ing. Michal Holubec, PhD., Ing. Kristína Galbová, PhD., doc. Ing. Štefan Stanko, PhD.

ABSTRACT

Wastewater treatment process consists of several steps. Separation of sludge from water is one of the essential. Correct design of the settling tanks is therefore crucial for its operation. In case that these objects don’t work properly, they cause problems in the whole ecosystem as they lead to the increased load to the recipients. In this paper proper data collecting method is investigated and data collection is described. Actual point velocity of flow in the secondary settling tank was measured in several points throughout the tank. Measurement was carried out in WWTP Dolný Kubín and WWTP Nižná nad Oravou in Slovakia and these data are used for model calibration and verification. Consequently, simulation of the flow in the tank will be provided. Modelling of the flow in this type of conditions is difficult therefore it is necessary to find right tool to perform precise work. Data that were obtained by measurement have been supplemented by the data provided by the operation of the WWTP.

Key words: flow simulation, WWTP, flow velocity

1 INTRODUCTION

Wastewater treatment is process that is essential for modern nowadays societies. Conventional wastewater treatment plants (WWTP) are based on the biological processes. They usually consist of mechanical stage and biological stage including activation tank and secondary settling tank (SST). In secondary settling tank, residuals from the purification process performed in the activation tank are separated from the liquid (Patzinger 2012, pp 2416). Separation is run by the basic physical principles like gravitation, to be more specific by the difference between the specific weight of the liquid and the specific weight of the suspended solids. What is important for the correct performance of the separation process in the SST is the consistent design of the flow through the tank so that the undesired flotation of the solids resulting from the strong flow of the liquid in the tank doesn’t occur. Required flow in the tank can be achieved by the correct construction of the object (Stanko 2017, pp 588).

Normally, flow in the sedimentation tank has turbulent character so it is very difficult to express it mathematically. The bio-kinetic processes in the tank can be expressed by several soluble and particulate components (Molnár, 2011). Navier-Stokes equations consisting of continuity equation, momentum equation and energy equation, can be used to formulate these processes.

In Slovak conditions, usually radial sedimentation tanks with horizontal flow or rectangular settling tanks are constructed. In the terms of flow, radial settling tanks are more effective.

Settling velocity is influenced also by the weather changes (Ramin 2014, pp 447), wet weather causes the increased hydraulic load to the WWTP and thus to the SST (Rostami 2011, pp 3017)

2 SETTLING TANKS

Settling tanks are the objects of the wastewater treatment plants in which suspended solids are separated from the liquid. Residence time in the SST is usually approximately 2 hours when the

52


suspended solids divide from the liquid. Turbid water flows through the tanks at low speed, so that suspended particles have enough time to settle. Gravitation is the basic driving force for the separation, therefore it is essential to have the undisturbed flow in the tank.

Flow in the sedimentation tanks is very difficult process to predict because not only sedimentation carries out, but also turbulent flow of the mixture of wastewater and the sludge from the inlet can occur and cause turbulent currents (Ghavi 2008, pp 62). These actions are difficult to predict. Computational Fluid Dynamics (CFD) is tool, which allows it. CFD is science discipline dealing with scientific knowledge from physics, fluid mechanics, thermo-mechanics, mathematics, which connects and together with the software simulate physical phenomena of various complexities. It is used in fluid dynamics, which can be compounds from three parts:

• theoretical fluid mechanics and thermo-mechanics; • experimental fluid mechanics; • CFD supported by computers and numeric mathematics.

Important base of the fluid mechanics are basic principles of flow: mass conservation, momentum conservation and energy conservation. In praxis, they are described by the continuity equation, momentum equations and energy equations. These are formed into the system of partial differential equations, Navier-Stokes equations.

3 FIELD MEASUREMENTS

Data from the actual tank in operation are needed to perform the flow simulation. These data sets are used for calibration and verification of the model. In our case, we obtained data from two SST located in two different WWTP. Measurements were carried out in rectangular secondary settling tank of WWTP in Dolný Kubín (Fig. 1) and radial secondary settling tank with horizontal flow in Nižná nad Oravou (Fig. 2).

Fig. 1. Rectangular tank in WWTP Dolný Kubín

Fig. 2. Radial settling tank Nižná nad Oravou

Creation of the model includes several steps: geometry creation, calculation mesh creation of the object, model calibration and model verification. Because sets of data for calibration and verification are necessary, measurements of the flow velocity in the tank will be supplemented by the data obtained from the WWTP operator. For example, flow rate at the tank inlet, concentration of the suspended solids or data of sludge pumps work.

53


3.1 Measurement preparation

Flo-mate 2000 attached to 5 m long metal rod was used to measure actual flow velocity in a point of water in a tank. Probe of the device was mounted 0.5 m from the end of the rod. Device works on the principle of electromagnetic induction. There is electromagnetic coil built-in, which produces magnetic field. When water flows through this field, the coil produces voltage. The magnitude of this voltage is directly proportional to the velocity of water flow (Flow-Mate Model 2000 1990). Water in the secondary settling tanks always differs; therefore, it is necessary to calibrate the device before each measurement and water.

3.2 SST in Dolný Kubín

Measurements in the rectangular settling tank were carried out in WWTP in Dolný Kubín. Dimensions of the tank are 11.34 m for the width and 43.5 m for the length and tank immediately follows nitrification tank. This disposition causes significant influence on the flow in the SST. Tank is equipped with the dividing wall in the distance 2.5 m from the beginning of the tank, which serves for removal of floating foam which gets to the tank from the nitrification tank.

Measurements were carried out in several measuring profiles along the walls of the tank and in the distance of 3.75 m in the depth 0.5 m as the tank construction, operating bridge and measuring device limited the possibilities of measurements in different spots of tank. Along the wall the measurements in vertical profiles A - H were caries out. Velocities were measured in depths 0.5 m; 1.0 m; 1.5 m; 2.0 m; 2.5 m; 3.0 m under surface.

Along the short side of the tank the measurements in profiles I - M were carried out. In every vertical velocity measurement in depths 0.5 m; 1.0 m; 1.5 m; 2.0 m; 2.5 m; 2.85 m under surface were performed (Fig. 3).

On the other side of the tank the measurements in profiles N - P were carried out. In every vertical velocity measurement in depths 0.5 m; 1.0 m; 1.5 m; 2.0 m; 2.5 m; 3.0 m under surface were performed (Fig. 4).

Fig. 3. Scheme of measurement profiles - north-western wall

Fig. 4. Scheme of measurement profiles - south-eastern wall

54


Fig. 5: Model of the tank in CAD software

Fig. 6: Scheme of all measuring points in the rectangular tank

3.3 SST in Nižná nad Oravou

Measurements in the radial tank with horizontal flow were carried out in WWTP Nižná nad Oravou. Diameter of the tank is 11.4 m, perimeter 71.6 m. Measurement points were located along the perimeter of the tank in front of the effluent weir in ten verticals 1 – 10 spaced 7.16 m from each other in depths 0.5 m; 1.0 m; 1.5 m; 2.0 m; 2.5 m; 3.0 m; 3.5 m; 4.0 m and 4.395 m under the surface (Fig. 5).

Fig. 7. Measurements profiles and plan of the radial settling tank

55


Measurements were done in more series to ensure statistically sufficient number of data. In rectangular tank, velocities were taken from 96 points in the tank, in case of radial settling tank in 90 points. These data will be supplemented by data provided by the operator and consequently used for calibration of the tank models and flow simulation will be run. Afterwards, models will be used for optimization proposal of the tank operation.

4 RESULTS AND DISCUSSION

Actual flow velocity measurements were carried out during the operation of the objects of the WWTPs. Different geometrical configurations are supposition for the different flow behaviour in these objects. Measured data were recorded in the prepared protocols. Before using these data for the simulations, they were sorted, analysed and presented in several charts.

Flow velocity in the tanks is considerably influenced by the inflow to the tank. Therefore, it is essential to simulate influence of these parts of the tank to the overall flow in the object.

Velocity flow measurements in the tank should be carried out during stable weather conditions, especially important is to perform all the measurements in one object in more less the identical conditions. Intensive rainfall can disturb the surface in the tank to such an extension that values measured close to the surface can be influenced.

Next step in this work will be simulation of the flow in these objects and consequent evaluation of the possibilities for the flow optimisation in the tanks after potential small construction modifications.

Acknowledgments

This work was supported by the Scientific Grant Agency of the Ministry of Education, Science, Research and Sport of the Slovak Republic under the contract No 1/0631/15 solved at the Department of Sanitary and Environmental Engineering of Faculty of Civil Engineering STU in Bratislava.

56


Literature

[1] A new settling velocity model to describe secondary sedimentation. Ramin E., Wágner D. S., Yde L., Binning P.J., Rasmussen M. R., Mikkelsen P. S., Plósz B. G. Water Research, Vol. 66, 2014, pp. 447‒458.

[2] A numerical model of flow in sedimentation tanks in Slovakia. Ghavi H., Kris J., Pollack Periodica, Vol. 3, No. 2, 2008, pp. 59‒73.

[3] CFD analysis of experimental adjustments on wastewater treatment sedimentation tank inflow zone. Stanko Š., Hrudka J., Škultétyová I., Holubec M., Galbová K., Gregušová V., Mackuľak T. Monatshefte für Chemie - Chemical Monthly, volume 148, 2017, pp. 585-591

[4] Computational fluid dynamics: interdisciplinary approach with CFD applications. Molnár, V. Bratislava: Slovenská technická univerzita v Bratislave, 2011. ISBN 9788081060489

[5] Computational fluid dynamics investigation of shallow circular secondary settling tanks: Inlet geometry and performance indicators. Patzinger, M. Chemical Engineering Research and Design, 2016, volume 112, pp. 122-131. ISSN 0263-8762.

[6] Flo-Mate Model 2000, Installation and Operations Manual, Marsh-McBirney Inc, 1990.

[7] Influence of secondary settling tank performance on suspended solids mass balance in activated sludge system. Patzinger, M, Kainz, H., Hunze, M., Józsa, J. 2012, Water research, volume 46, pp. 2415-2424. ISSN 0043-1354.

[8] Numerical modeling of baffle location effects on the flow pattern of primary sedimentation tanks Shahrokhi M., Rostami F., Said M., Syafalni. Applied Mathematical Modeling, Vol. 37, 2013, pp. 4486‒4496.

[9] Numerical modeling on inlet aperture effects on flow pattern in primary settling tanks. Rostami, F., Shahrokhi, M., Said, M, Abdullah, R. Applied Mathematical Modelling, 2011, volume 35, pp. 3012-3020. ISSN 0307-904X.

[10] Steady-state analysis of activated sludge processes with a settler model including sludge compression. Diehl S., Zambrano J., Carlsson B. Water Research, Vol. 88, 2016, s. 104‒116.

57


CFD ANALYSIS OF WASTEWATER SEDIMENTATION TANK

Ing. Michal Holubec, PhD., Ing. Jaroslav Hrudka, PhD., Ing. Réka Csicsaiová, doc. Ing. Štefan Stanko, PhD.

ABSTRACT

Primary sedimentation tanks are structures of primary waste water treatment. Rectangular tanks are quite common in Slovakia although they are known to have some hydraulical problems resulting from their geometry. Furthermore, the inflow channel is almost exclusively oriented perpendicularly to the direction of the flow in these tanks. In this paper, we will show some of the problems caused by these factors, with the use of CFD simulations.

Key words: CFD, sedimentation tank, wastewater

1 INTRODUCTION

Present Slovakia waste water treatment plants (WWTP) treat the waste waters from about 60% of inhabitants, which are connected to the public sewer system. Many of the WWTP’s use more than 40 years old equipment and need reconstruction. The hydraulic design of these reconstructed structures is mostly based on empirical or semi-empirical methods. Using CFD methods, we were able to analyse one such reconstructed structure. Very often we can find sub-optimal design, mostly on rectangular tanks, which means less effective operation of the treatment process and higher operational expenses. The analysis consisted of simulation using ANSYS CFD software supported by in situ velocity measurements.

Based on our research and experiences from WWTP operators in Slovakia we can declare that there are a lot of WWTP’s which have hydraulic problems in their technological processes, even after reconstruction. This paper focuses on CFD analysis of a wastewater settling tank located at a WWTP in the municipality of Humenné, Eastern Slovakia.

The wastewater treatment plant is designed to process wastewater from 96700 equivalent residents and works in two stages – mechanical treatment and biological treatment. The wastewater is transported via a combined sewer system, with maximum inflow of 1050 l.s-1 (1922 l.s-1 during storm events). Storm water tanks and the storm water treatment process line are in place to deal with storm water inflow. This analysis focuses on the primary settling tank at Humenné WWTP. It is a rectangular tank with horizontal flow. The wastewater is transported from the grit chambers through a concrete conduit, perpendicular to the flow direction in the tank. The water flows from the inflow chamber through ten T-shaped steel pipes DN300, which are located on the front wall of the tank, 1622 mm above the tank bed. There is also a small, 600 mm wide floodgate in the same wall. There are 4 holes for collecting the sludge at the bottom of the tank in the inlet zone. The tank is 36 meters long and 12 meters wide, the maximal height of water surface is 3,72 meters, according to the project documentation. The volume of the tank is divided by a 3,55 meters tall and 300 mm thick concrete wall which is situated in the middle of the tank. The tank is equipped with a moving bridge with sludge scrapers. The sludge is hauled into the holes at the inlet zone and pumped out of the tank with sludge pumps. The treated water flows out of the tank through a weir at the far end. The schematics of the tank are shown in Figure 1.

58


Figure 1 Schematics of the settling tank

The settling tank was simulated in ANSYS Fluent using the default energy equation model and standard K-omega viscous model. The 3D geometry was created in AutoCAD, based on project documentation and measurements and then imported to ICEM CFD, in which the computational mesh was created. Several simplifications were employed for defining the settling tank to conserve time and computational capacity. The surface of the tank was defined as a zero shear stress wall boundary condition as opposed to free surface simulation, which simplifies the surface of the tank to a simple plane with no friction. This means that the surface remains at constant height during the simulations, similar to normal operating conditions in the tank. The height of the surface plane was determined based on field measurements at the site, and so was the flow rate/velocity at the inlet boundary. The weir was simulated as an outflow boundary condition (there is no backflow calculated on this boundary). There were two types of walls with different roughness coefficients to simulate differences between the concrete tank and the steel pipes. The settling tank was simulated with „pure water”, meaning without sediment transportation. K-omega turbulence model was used for its precision with low Reynolds number turbulent flows. Four alternative configurations of the settling tank were simulated, to help analyze the flow patterns in the tank. These alternatives are described in Table 1. CFD POST application was used for processing of the results and creating the output images.

Table 1 Description of simulation alternatives

2 METHODS AND RESULTS

The first step in the process of CFD simulation is to create the mesh which will be used for the computations. The mesh for this problem was created in ICEM CFD, based on geometry imported from AutoCAD (Figure 3). All the meshes for the various alternatives are composed exclusively of triangles and tetrahedrons, details can be seen in Table .

No. Description

1.1 Simulation of real settling tank

1.2 Simulation of the tank with closed floodgate

1.3 Simulation of the tank with closed floodgate and without the separation wall

1.4 Simulation of the tank with closed floodgate with the separation wall elevated above the water surface

59


Figure 2 Inlet chamber and inlet pipes

Figure 3 Example mesh, pictured is the inlet zone for alternative 1.1

FLOODGATE

60


No. Of elements No. Of nodes Triangle Tetrahedron

1.1 1243764 214403 73524 1163370

1.2 1212514 208965 70880 1134929

1.3 1210318 208615 70800 1132816

1.4 1213098 209019 69762 1136935

Table 2 Compositions of meshes for the alternatives

After generation, the mesh is loaded into the FLUENT software. The boundary conditions were defined according to Table 1.

Boundary condition Specification

velocity inlet vst=0,276 m.s-1 for the floodgate

vr=0,05 m.s-1 for inlet pipes

outflow -

wall (surface) Zero shear stress

wall (concrete) Standard wall function

wall (pipes) Standard wall function

fluid Defined as h2o<l>, T=298°K

Table 3 Boundary conditions

The result of the simulation is a lot of information and simulated data, such as velocity, turbulent kinetic energy, pressure, turbulent viscosity, etc.

The results of simulations were evaluated based on three main types of graphical output:

• Velocity streamlines which help us identify some of the hydraulic phenomena in the tank. Allow a better understanding of the flow patterns in the tank.

• Speed contours, which show the velocity field in the tank at user-defined locations.

• Isosurface - connecting points with the same value in the volume of the tank.

The parameter of limit velocity (vH) was derived for the purpose of evaluation of the different variations of the tank. This velocity is the horizontal component of the velocity vector in the longitudinal direction (in relation to the reservoir). Is derived from the calculation of residence time t [h] proposed by the Slovak standard STN 75 6401. According to the formula:

= (2.1)

= 34,93 = 11,63 . ℎ = 0,0032 .

Where L1 is the effective length of the tank and t=3 hours is the residence time for minimal inflow, proposed by the standards. Isosurfaces of this parameter were used with the graphical analysis of the tank.

61


2.1 Simulation 1.1

This is a simulation of the real settling tank, according to project documentation and on-site measurements. The shape of the inlet pipes coupled with the perpendicular direction of the inflow channel directs the flow in the inlet zone to the right (Figure 4, Figure 5). As a result, we can see higher velocities in the sludge holes on the right-hand side, which could potentially lead to re-suspension of the settled sediments (Figure 6). In general, the velocities in the right-hand side of the tank are higher, which can be seen in Figure 7Figure 5. There is a visible surface current, running from the floodgate directly to the outlet weir which could have a serious negative impact on function of the tank.

Figure 2 Velocity streamlines (simulation 1.1) Figure 3 Velocity contours, top view (simulation 1.1)

Figure 4 Velocity contours, view of the sludge hole (simulation 1.1)

Figure 5 Isosurface for the vH parameter (simulation 1.1)

2.2 Simulation 1.2

This simulation is almost identical to 1.1, the only difference is the closed floodgate. The flow patterns are similar to 1.1 (Figure 8, Figure 9) including the velocities in the sludge holes. The flow is slower at the surface thanks to the closed floodgate.

62


Figure 6 Velocity contours, top view (simulation 1.2)

Figure 7 Velocity contours, view of the sludge holes (simulation 1.2)

2.3 Simulation 1.3

This variant simulates extending the separation wall above the surface. As a result, the flow pattern has slightly changed and overall, velocities in the tank grew (Figure 14) The problem in the sludge

hole still persists (Figure 13)

Figure 8 Velocity streamlines (simulation 1.3)

Figure 9 Velocity contours, view of the sludge holes (simulation 1.3)



63


2.4 Simulation 1.4

Variant 1.4 simulates the tank without the separation wall in the middle. Removing the wall creates a right-hand rotating flow system (Figure 16) due to the shape of the inlet pipes and the perpendicular inflow channel. The limit velocity (vH) has been exceeded in a large part of the tank as seen in Figure 15.

Figure 12 Velocity streamlines (simulation 1.4) Figure 13 Velocity contours, view of the sludge holes (simulation 1.4)



3 CONCLUSIONS

All four simulations point to the direction of inflow as the strongest negative influence on the flow in the tank. The biggest problem – increased velocities in the sludge holes on the right side of the tank – is caused by the perpendicular inflow of wastewater into the tank from the left side. The velocities in the sludge holes were a problem in all of the four scenarios, regardless of the changes. These results indicate possible hydraulic problems, which could have a negative influence on overall performance of the tank.

However, another simulation series with particle transport and sedimentation is needed to get conclusive results. As a side note, based on the outcomes, we definitely advise the operator to operate the tank with closed floodgate, as this may lead to short-circuit currents and low settling efficiency.

64


This paper focuses on the simulation of hydraulics of wastewater treatment settling tank. The settling tank in WWTP Humenné was selected based on the survey of operators of wastewater treatment plants. The WWTP was recently reconstructed and therefor new documentation was available. The work also touches on the subject field measurements of discharge in settling tanks. The work focuses on modeling of various alternatives of the tanks geometry, in order to find the most effective configuration for its operation. ANSYS FLUENT CFD model was utilized for all simulations.

4 ACKNOWLEDGMENTS

This work was supported by the Scientific grant agency of MŠ SR and SAV (VEGA) under the contract VEGA 1/0631/15.

References

[1] 1. Molnár, Vojtech. Počítačová dynamika tekutín: interdisciplinárny prístup s aplikáciami CFD. Bratislava : Slovenská technická univerzita v Bratislave, 2011. ISBN 9788081060489.

[2] 2. Ghawi, Ali Hadi. A numerical model of flow and settling in sedimentation tanks in potable water treatment plants. Bratislava : STU Bratislava, Stavebná fakulta, 2008. 978-80-227-2964-2.

[3] 3. Janssen, Robert H. Analysis and design of sediment basins. Eighth National Conference on Hydraulics in Water Engineering. Gold Coast, AU : The Institution of Engineers, Australia, 2004.

[4] 4. Rodi, Wolfgang. Turbulence models and their application in hydraulics, a state-of-the-art review. Third edition. Rotterdam : A. A. Balkema, 1993. ISBN 90 5410 150 4.

[5] 5. Athanasia M. Goula, Margaritis Kostoglou, Thodoris D. Karapantsios, Anastasios I. Zouboulis. A CFD methodology for the design of sedimentation tanks in potable water treatment: Case study: The influence of a feed flow control baffles. l. : Elsevier B.V., 2008, Zv. 140, s. 110-121.

65


REGULATION FACILITIES AT THE SEWER NETWORK AS A TOOL IN REDUCING THE EFFECTS OF HEAT ISLANDS IN

URBAN AREAS.

Ing. Jaroslav Hrudka, Ph.D., Ing. Michaela Červeňanská, Ing. Dušan Rusnák, Ing. Marianna Czölderová, Ph.D., Ing. Veronika Soldánová

ABSTRACT

The research work is focused on finding extremes in climate changes which are related to

rainfall-runoff process at catchment area. Location of our research is set to urban area of

Slovak town Levice. During the inspections process we have made necessary calibration

measurements to correct the identified defects in the project documentation. The main part of

the research is evaluating the impact of rainwater to the sewerage system using block rain

with selected periodicity, taking into account impact of proposed solutions for management of

rainwater in the area. Evaluation of existing sewerage network was handled at periodicity

levels p = 0,5; p = 0,05. The results show that climate change has high level of impact on the

rainfall runoff. Even with a rain with periodicity of p = 0,5; i.e. rain that occurs once in per 2

years, we have identified specific points in the sewerage network unable to fulfill its function

without extensive stress. Key words: Storm water, sewerage network, UHI

1 INTRODUCTION

In new urbanized areas, reinforced surfaces replace extensive areas of vegetation. This causes extreme changes in the hydrological nature of the city's catchment area. Paved surfaces are not restricted to the process of infiltration of water into the soil, thus increasing surface runoff. It is therefore necessary to build facilities and premises used for the complex management of rainwater. Currently in Central Europe is the most common method of rainwater management transport through the sewage network from where is water transported to the recipient. Using a decentralized method of management of rainwater, the water is seeped into the soil or the surface water will flow at higher time of runoff delay into the recipient. The flash floods occur in short torrential rain. These flash floods can occur where there is an area prone to the formation of extreme runoff (e.g. very Sloping terrain) or even in places where it prevents the possibility of infiltration or retention of rainwater (Gartland L. 2008,192 p.).

Analysis and evaluation of hydrogeological and hydrological modelling of catchment area is of high importance especially for the understanding of the hydro-ecological processes in different types of area.

In urbanized areas are green areas repressed urban and industrial expansion that implies the creation of specific climate typical heat islands in dense areas with high buildings. The UHI have stagnant air masses of photochemical smog, higher concentrations of solid and gaseous pollutants. The imbalance

66


between the sunlight and artificial light have a bad effect on accumulation of pollutants which are thus accumulate in the soil (Martilli A., 2014, P. 433).

In complex analysis of urban areas was introduced the concept of "urban heat islands" - heat islands. This concept can be explained as a place of blazing heat to the surrounding landscape, which is in nature cooled by vegetation. Heat islands are unfavorable for the population they cause health problems and cause additional higher energy efficiency of buildings. The heat resulting from incident solar radiation accumulates in building materials emitted heat radiation is reflected into the surrounding buildings and a slow air circulation is kept heated air in the city. Heated zone is also supported by heating facilities, cooling facilities, vehicles heating, and not least the heat emanating from the population. The decisive factor is the thermal capacity of buildings and roads, which is directly related to changes in evaporation. Surface streets are paved and thus the infiltration of rainwater into the soil or evaporation from the soil unrealistic (Mcgranes. J., 2016, P. 2296).

By using rainwater sewerage networks (for rapid discharge of surface runoff) is the impact on the urban environment highly negatively, since the water without any benefit transported outside the urbanized area. Otherwise, the accumulation of rainwater allows its subsequent use, for example, to irrigate urban green, sprinkling the streets or use of this water for the needs of the population. Water detained at the beginning of surface runoff has several positive effects on the urban climate. One of the impacts is also the cooling of the roofs and surfaces on which the precipitation is captured. At the same time, urban water can be irrigated with accumulated water, which will provide the necessary nutrients for its growth and thus directly create better conditions for the population. Finally, thus used water cools the urban environment through evaporation of the green parts of the plants and therefore directly counteracts the formation of heat islands. The use of retention infiltration of objects is clear some positive impacts on the urbanized areas. The water is infiltrated into the upper layers of the soil horizon, making it easily accessible to plants, which then cools the air with their transpiration. The waters that we can infiltrate at the site of precipitation reduce the overflow of the sewer system. The disadvantages of these objects may include spatial complexity, because these are flat large objects.

2 CALIBRATION MEASUREMENTS ON THE SEWAGE NETWORK

For solving research work it was intended urbanized part of the town of Levice. The highly populated area of the town of Vinohrady appears to be a very suitable area suitable for the accumulation of precipitation. Within accumulation and subsequent infiltration of rainwater is best optimization design of sewer network location regulatory objects directly in the area to which the actual runoff starts. Interest area belongs to the north-eastern part of the Slovakia Danube plain.

On selected areas are largely paved surfaces. Drainage of rainwater from this area is ensured by rain gullies on each street. The total urbanized area is 117 326 m2, of which 74 055.7 m2 (63.12%), constituting of paved areas including residential buildings. Rainwater from the roofs of nearby apartment buildings are transported into the sewer system via downpipes and connections. Waste water discharged sewage is disposed of in a waste water treatment plant in Levice -Géňa. Calibration parameters for assessing sewer network topography and the altimetry were areas which were targeted by GPS in the spring of 2017 and to an accuracy of 6 mm. Other parameter input to the assessment of the population figures, which were obtained from the Bureau of Statistics and data on rainfall totals.


The aim of modeling is to highlight the impact of extreme rainfall to rainfall-runoff conditions. Due to ongoing climate change happens, it is becoming more widely occur during multi rains. One of the

67


main reasons for which there is frequent but mostly to abundant precipitation over the last century is just above atmospheric temperature. Numerous are the extraordinary abundant rainfall, resulting in the remarkably high incidence of local or regional extensive flooding in the last two decades. (Leonhardt G., p. 885)

To assess the efficiency of the sewer network was made for 15-minute model block rains and these block rain was used by considering the rain curve for the Nový Tekov rainfall station. The intensity of the individual rainfall was calculated according to Urcikan, from the basic data on the local parameters for the Nový Tekov rainfall station, which reliably corresponds to the intensity and yield of the rainfall occurring in the area concerned.

The drainage area of the area of interest is 117 326 m2 and the length of the sewerage network is 1492 m. In the assessment of the area they are worked out different scenarios burden on sewer network block rain with different periodicities. The input parameters for the assessment of the sewerage network were based on the number of inhabitants per dwelling unit, according to the available information in the public electronic administration of Levice. There were 2980 inhabitants from the streets Paláriková, Krátka, Južná, Severná, Pri tehelni, Školská a Hlboká (Žiaran J., 2015, p. 187-198).

3.1 Assessment of sewerage network with heavy rain for periodicity p 0,5

In our assessment of the existing sewer system was used SEWACAD software, which is used for modeling of surface runoff and software was also used to assess the effectiveness of static drains. The first condition was modeled runoff during rain with a periodicity p 0.5 represents the intensity of the rain occurring once every two years. Between manholes they were developed rainfall-runoff districts. On the ground surface they represent these districts area of rain runoff and underground these districts are representing the length of the pipe between manholes.

Fig. 1. The block rain curve – periodicity p 0,5

Overloaded districts [%] Length [m] Number of districts 0 - 100 1286 78

100 - 150 170 13 150 - 250 39 3 250 - 500 0 0

> 500 0 0

Tab. 1 Assessment of the sewerage system at rain with a periodicity of p 0.5

68


Assessment of the sewer network addressed area was found to be 83% collecting system meets the current state, and collecting system is capable of carrying the proposed run-off for rain, with a periodicity p = 0.5.

Fig. 2. Assessment of the sewerage system at rain with a periodicity of p 0.5 -hydraulic overload in %

3.2 Assessment of sewerage network with heavy rain for periodicity p 0,05

The second condition was modeled runoff during rain with a periodicity p 0.05 represents the intensity of the rain occurring once every twenty years.

Fig. 3. Assessment of the sewerage system at rain with a periodicity of p 0.05 -hydraulic overload in %

Overloaded districts [%] Length [m] Number of districts 0 - 100 1162 71

100 - 150 79 4 150 - 250 212 16 250 - 500 39 3

> 500 0 0

Tab. 2. Assessment of the sewerage system at rain with a periodicity of p 0.05

69


In the second assessment of the sewerage area, the sewer network is not suitable for discharging the

surface drain to 75.5% for the proposed rain with periodicity p = 0.05.

3.3 Assessment of sewer network in the use of infiltration facilities

After the flooded objects were placed on the treated area, seamless operation of the sewerage system would be ensured even during intense rains up to P 0.05. Designed infiltration objects were designed according to the German standard in a total of 6 objects. (DWA-A 138 En 2005) The assessment considered the existing profiles DN 400-800. The proposed variant of the pipe profile is oversized for only sewage water itself. For a given area, in the event of wastewater was suitable variant DN 300 for population in 2980 and with a flow rate in the final profile QV = 25.87 l/ s.

Fig. 4. Assessment of sewer network in the use of infiltration facilities

4 CONCLUSION

Aim of this paper was to analyze the rainfall runoff in urban area of Levice and then assess the functionality and efficiency of the sewer network in the area of interest. When assessing been processed scenarios assessment at Block rains of varying periodicity of rain. The results can be clearly seen that the impact of climate change has a significant impact on drainage conditions. Even a rain with a frequency p = 0.5 is shown regions which failed to convert flow rates without significant load. Part of the assessment is also the design of the DWA-A 138 standard-intake objects in the area of interest. The results of simulations on real territory is seen up to 500% overload some parts of the sewer network. With the proposed infiltration objects, the sewer system could be relieved by 100% of the rainwater and thus ensuring safer operation of the sewerage network. These findings serve as a basis for solving the project of the Excellent Young Teams STU under the title "Analysis of Impact of Green Infrastructure on Qualitative and Quantitative Indicators of Surface and Groundwater in Urban Areas", which analyzes the impact of rainwater retention on their quality and quantity in the under-terrain environment which is solved in these days.

5 ACKNOWLEDGMENT

This work was supported by the Scientific Grant Agency with project VEGA No. 1/0631/15 in the Department of Sanitary and Environmental Engineering of Slovak University of Technology in

70


Bratislava and by the grant "Excellent Young researchers by STU" under the ZUKKUVO acronym, which is financed from the central sources of the Technical University of Bratislava.

71


Literature

1. DWA-A 138E (2005) Planning, Construction and Operation of Facilities for the Percolation of Precipitation Water, ISBN: 978-3-937758-74-9

2. GARTLAND L. (2008) Heat islands – Uderstanding and mitigating heat in urban areas. Earthscan, London, ISBN 978-1-84407-250-7, 192 p.

3. LEONHARDT G., SUN S., RAUCH W., BERTRAND-KRAJEWSKI J. L., Comparison of two model based approaches for areal rainfall estimation in urban hydrology (2014), Journal of Hydrology, Volume 511, 16 April 2014, Pages 880-890

4. MARTILLI A. (2014) An idealized study of city structure, urban climate, energy consumption, and air quality, In Urban Climate, Volume 10, Part 2, Pages 430–446, ISSN: 2212-0955

5. MCGRANES. J. (2016) Impacts of urbanisation on hydrological and water quality dynamics, and urban water management, In Hydrological Sciences Journal, Volume 61, Issue 13, Pages 2295-2311, ISSN: 0262-6667

6. ŽIARAN J. (2015) Územný plán mesta (ÚPN-O) Levice. Košice : architektonická kancelária ARKA, spol. s r.o., s. 187-198.

72


INCREASING THE EFFICIENCY OF SEPARATING RAINWATER IN THE CSO CHAMBER BY MATHEMATICAL

MODELING.

Ing. Jaroslav Hrudka, Ph.D., Ing. Dušan Rusnák, Ing. Réka Csicsaiová

ABSTRACT

The paper shows the essence of CFD modeling in sanitary and environmental engineering.

Paper includes practical example of assessment of CSO chamber, by using ANSYS Fluent

software. This paper also explains the principles, upon which the ANSYS FLUENT software

works. Then explains the methodology in creating the model, which is composed of: creating

3D geometry, creating computer mesh, entering of boundary conditions, defining input

parameters and finally the actual simulations. In this paper there are also explained methods

of modeling, which we use for solving the simulations at the Department of Sanitary and

Environmental Engineering. Key words: Storm water, CSO chamber, Sewerage network

1 INTRODUCTION

Mixed rainfall and waste water separated in the relief chambers is a significant source of pollution of watercourses. This fact forces to improve the design and assessment of objects storm water sewerage network with an emphasis on environmental protection. Most municipal waste water treatment plant are treating only domestic sewage and depending on the capacity of the waste water treatment plant can treat part of the rain runoff. The other part of the mixed rainwater and domestic waste water is relieved during the rainfall through the combined sewerage overflow chambers. Domestic sewage carries the bulk of the organic, inorganic and bacteriological pollution but rain water from runoff is also heavily polluted. The main sources of pollution of rainwater in addition to atmospheric pollution are dirt accumulated on the surface of the river basin and to a large extent in the sediments accumulated in the collecting system during without rain periods (Zhu Z., 2017, p. 985). It is necessary to take into account the site, hydraulic, hydrologic, hygienic, economic and operational. The various aspects of this case are linked and influence each other. A method for assessing the effect of lightening the mixed waste water to the recipients developed the Urcikán a wheel on the basis of processing results in the five-year period for 16 ombrograf stations. Slovakia were derived mathematical models yield curves term average rainfall exceeding the average yield curves of rains. Dependence were derived to determine the volume of water relief to the recipient and the duration for relieving summer period (Turi, 1990, p.240, Urcikán 1985). Calculations for the design of CSO chamber and storm water tanks as flow control objects in the sewer network are recommended in standarts (STN 75 6261, STN EN 75). When calculating the designer rainfall and assessing the CSO chamber's workload for the recipient, there are now reservations about using BOD5 as the only indicator of pollution. The above facts but reflect the fact that the standard was left to empirical equation for calculating the yield of the ultimate rain, which was at the time of introduction in our progress compared to previously used the mixing method. In the last decades, no progress has been

73


made in designing and operating CSO chambers. Even with our modern technology is progressing in the design of these objects decade old practice that should be sought primarily from an environmental standpoint and also in terms of operating optimally upgrade this archaic practice.

2 MATHEMATICAL MODELLING

Modeling of hydraulic phenomena are closely related to modeling of some form of movement. Fluid motion is related with the solution of various problems that are contained in the physical models:

• Laminar and turbulent flow. • Compressible and incompressible flow. • Stationary, non-stationary and transitional flow. • Heat transfer, natural and mixed convection. • Transfer of chemicals and chemical reactions. • Multiphase flow, flow with free surface, flow with field particles, bubbles or drops. • Porous media flow and others (Molnár V., 2011, p. 436).

The mathematical model is based on the definitions of the above problems. Given that this is a planar, two-dimensional, and axially symmetric three-dimensional, time-dependent events. They are described in a system of partial differential equations, which are authorized by numerical methods.

It is possible to solve these problems using different commercial software systems such as ANSYS Fluent CFD and more. Constructing a proper calculation model is very important. It contains mathematical, physical and technical principles. For these models, it is necessary to identify all input data of software which are needed for model. In all phases of the creation of these models is necessary re-check of input data. In these models shall be graded all the information about the geometry (two-dimensionally or three-dimensional units), information about external forces, physical data (information on the flowing medium).

Dynamic modelling is based on determining flow equations, which are based on three basic principles: • Conservation of weight. • Conservation of momentum. • Conservation of energy.

These principles are expressed in the form of continuity equation, motion equations and energy equation. They are formulated as a system of partial differential equations (Navier-Stokes equations) (Holubec M., 2013, Hrudka J., 2017)

3 DYNAMIC MODELING OF CSO CHAMBER

Dynamic modeling of the existing combined sewage overflow was carried out at CSO Rudlová, which is located in Banská Bystrica. The detailed dimensions of the object are shown in FIG. 1 and 2. The current state was simulated without the location of the trash rack or the moving wall. The total length of the chamber is 13650 mm and the width is 4950 mm. This is a classic CSO chambers with embedded front overflow.

74


Fig. 1. Cross section of the existing CSO - Rudlava

Fig. 2. The ground plan of the existing CSO – Rudlava


The simulations were generated with the software ANYSYS fluent. Simulations were performed for real state of the CSO chamber at maximum flow (Fig. 3).

Fig. 3. 3D geometry of an existing object created in Space Claim

3D geometry has also been created for alternate editing of the overflow edge in an object. Such structural modifications include, for example, the installation of rakes on the overflow edge, which are designed to separate floatants (Fig. 4).

75


Fig. 4. 3D geometry of object with trash rack, created in Space Claim

The boundary conditions in the mathematical models are shown in Table 1. The mathematical model is based only on a single-phase flow-water simulation.

Boundary condition Definition

Velocity Inlet - 2 m/s

Wall 0,013 mm

Outflow Pressure outlet

Solid t -0 s Air

Solid H2O

Tab. 1. Boundary conditions of Simulation

Figure 5 shows the simulation results at maximum flow through CSO. The result is the possibility of optimizing the operation with regard to sewerage operation and recipient protection. On subsequent calibrated mathematical model and subsequent simulations object to shoulder regulatory measures will be realistic to assess the effectiveness and possibility of optimization of that object.

Fig. 5. Streamlines - simulation of maximum flow

The results of the simulation are obvious trend leaching of sediments along relieved water is then transported to the recipient. Improvement of efficiency can then be achieved by the aforementioned control devices embedded in the CSO chamber. However, the first step is to confirm the results of simulations by verification measurements on an existing object in order to ensure the highest degree of accuracy of the results.

76


Fig. 6. Contours - simulation of maximum flow

5 ZÁVER

Computer simulations in applications for sanitary and environmental engineering and especially for sewer network objects are very important from a practical point of view and increased attention should be paid to this process. Objects on sewer networks are currently being designed by the empirical formula, which can be verified using mathematical models to improve either the operating conditions or even to improve the environmental impact of the recipient during floods. The operation of the CSO in question currently does not meet the regulatory requirements for effective operation with regard to recipient protection and therefore real-time simulation along with building modification simulations is more than welcome to the operator. The next step solutions research work is to obtain verification and measurement of parameters in real house, in order to confirm the accuracy of the simulation results and because of the subsequent simulation building modifications.

6 ACKNOWLEDGMENT

This work was supported by the Scientific Grant Agency with project VEGA No. 1/0631/15 in the Department of Sanitary and Environmental Engineering of Slovak University of Technology in Bratislava and by the grant "Excellent Young researchers by STU" under the ZUKKUVO acronym, which is financed from the central sources of the Technical University of Bratislava.

77


Literature

1. HOLUBEC. M.,(2013) Využitie CFD nástrojov pre analýzu objektov ČOV, STU, SvF, Slovakia

2. HRUDKA J., (2016) Dynamické modelovanie objektov ČOV, Dizertačná práca, STU, SvF, Slovakia

3. MOLNÁR, V. (2011) Počítačová dynamika tekutín: interdisciplinárny prístup s aplikáciami CFD. Bratislava : Slovenská technická univerzita v Bratislave, ISBN 978-80-81060-48-9.2011, p. 436

4. STN 75 6261 (1997) Dažďové nádrže 5. STN EN 752 (2008) Stokové siete a systémy kanalizačných potrubí mimo budov 6. TURI – NAGY, J., TURČAN, J.(1990) Medzný dážď, jeho stanovenie a použitie. Vodní

hospodářství 6/1990, p.238 - 242 7. URCIKÁN, P., RUSNÁK, D., HORVÁTH, J. (1985) Dažďomerné podklady pre

navrhovanie odľahčovacích komôr a dažďových nádrží v Slovenskej republike. Záverečná správa výskumnej úlohy, Stavebná fakulta STU, Bratislava

8. ZHU Z., Morales V., H. García M. H., (2017) Impact of combined sewer overflow on urban river hydrodynamic modelling: a case study of the Chicago waterway, Urban Water Journal, 14(9), p. 984-989. DOI: 10.1080/1573062X.2017.1301504

78


NÁKLADY VYNALOŽENÉ NA PREVENCIU A NÁPRAVU V OBLASTI BOZP ZAMERANÉ NA STAVEBNÍCTVO

INVESTMENTS INCURRED TO PREVENTION AND ACCIDENT COST TO OHS IN CONSTRUCTION INDUSTRY

doc. Ing. Zdenka Hulínová, PhD., Ing. Jana Hulinová

ABSTRAKT

Prístup k dodržiavaniu bezpečnosti a ochrany zdravia pri práci je v rôznych organizáciách veľmi odlišný. Pokiaľ sa zamestnávateľ rozhodne pristupovať k vytváraniu bezpečného pracovného prostredia, budú jeho náklady na prevenciu vyššie, ale prínosy v podobe nižších počtov pracovných úrazov, vyššej produktivity práce a lepšieho imidžu firmy budú o to väčšie. Naopak, v prípade, keď sa rozhodne šetriť náklady vložené do oblasti BOZP, môže očakávať len nestabilné pracovné prostredie a sankcie až v likvidačnej hodnote, najmä u malých a stredných podnikov. Vhodným prostriedkom na získanie porovnateľných hodnôt špecifických ukazovateľov je matematický model, ktorý vyjadruje závislosť medzi nákladmi na prevenciu a nákladmi na nápravu v súvislosti s rôznymi postojmi zamestnávateľov k BOZP. Ich rozhodnutia vo vzťahu k významu BOZP sú veľmi dôležité a závisia od nich dokonca životy samotných zamestnancov.

Kľúčové slová: náklady na prevenciu, náklady na nápravu, postoj zamestnávateľa k BOZP, matematický model

ABSTRACT

The occupational safety and health (OSH) approach in the various organizations is very different. Once the employee follows the rules of the OHS the costs for prevention are higher, however there is less occupational injuries at a workplace, productivity is high and there is a positive influence on company reputation as well. On the other hand, once the company does not follow the OHS process and do not invest in OHS, non-stable work environment is created and the sanctions might be critical for the company, especially for small companies. An appropriate means of obtaining specific indicators is a mathematical model that expresses the dependence between costs of prevention and accident costs in relation to attitudes towards OSH. This decision is very important and directly influences on employee´s lives.

Key words: cost of prevention, accident cost, employers attitudes towards OSH, mathematical model

1 ÚVOD

V stavebníctve v roku 2016 bolo Národným inšpektorátom práce (ďalej len „NIP“) zaznamenaných 392 pracovných úrazov, čo je v porovnaní s ostatnými odvetviami (podľa členenia SK NACE), v kategórií pracovný úraz s ťažkou ujmou na zdraví, druhá najvyššia hodnota a štvrtá najvyššia hodnota v počte smrteľných pracovných úrazov [2]. Každá stavba je jedinečná, a preto si vyžaduje dôkladne a individuálne vypracovaný dokument o posúdení rizika v zmysle § 6 ods. 1 písm. c) zákona o bezpečnosti a ochrane zdravia pri práci (ďalej len „BOZP“).

Systém BOZP sa presadzuje štátom prostredníctvom legislatívy. Dodržiavanie predpisov na zaistenie BOZP patrí do oblasti preventívnej činnosti organizácie a môže priniesť zisky ako pre

79


zamestnávateľov, tak aj pre zamestnancov. Na druhej strane nedodržiavanie bezpečnostných pravidiel vedie do oblasti nápravných činností a môže priniesť straty na životoch a zdraví, v podobe pracovných úrazov, alebo finančné straty, v podobe sankcií, či pokút. Finančné prostriedky na obe tieto oblasti musí vynaložiť zamestnávateľ. Svojím prístupom k dodržiavaniu BOZP sa tak dostáva neustále do procesu rozhodovania o tom, či bude efektívnejšie vynaložiť prostriedky na preventívne opatrenia alebo až na nápravu nežiaducich udalostí, a teda či v danom čase uvoľní na ochranu zamestnancov adekvátne prostriedky a čas alebo zamestnancov nebude dostatočne chrániť, a tým bude riskovať nežiaduce dopady.

2 PRÍSTUP K DODRŽIAVANIU BOZP

Legislatíva predpisuje zamestnávateľovi minimálne požiadavky, ktoré je treba v rámci BOZP na pracoviskách dodržiavať. Zamestnávateľ môže dobrovoľne zvýšiť ochranu práce s cieľom efektívnejšieho vynaloženia nákladov na BOZP. Pre zvýšenie ochrany práce nad legislatívny rámec potrebuje mať vedenie organizácie dobrý motív, ktorým môže byť nulová úrazovosť. Dosiahnutie nulovej úrazovosti sa docieli tým, že BOZP sa stane jednou z najvyšších priorít spoločnosti. Podrobnejšie spracovaná schéma postoja zamestnancov k dodržiavaniu BOZP a s tým súvisiacich nákladov sa nachádza na obrázku č. 1.

Obrázok 1: Postoj zamestnávateľa k dodržiavaniu BOZP.

Vzhľadom na zrelosť v riadení BOZP môžeme organizácie zaradiť do štyroch štádií:

Ø organizácie s čiastočným dodržiavaním legislatívy: sú to organizácie, ktoré majú slabé riadenie BOZP aj odborné znalosti a reagujú na problémy až v momente, keď sa stane úraz alebo v prípade, ak príde na kontrolu inšpektor práce;

Ø organizácie s dodržiavaním legislatívneho rámca: sú to organizácie, ktoré dodržujú legislatívu, vykonávajú pravidelné hodnotenie rizík, aktívne plánujú a stanovujú priority pri riešení problémov, a vykonávajú plánované kontrolné činnosti;

Ø organizácie s aktívnym prekračovaním legislatívy: sú to organizácie, ktoré implementujú a udržiavajú BOZP ako systém riadenia, venujú plynulú štrukturálnu pozornosť BOZP organizovanú pred začatím nových činností;

Ø organizácie so zaradením BOZP do ďalších stupňov riadenia: sú to organizácie, ktoré spájajú riadenie BOZP do ďalších systémov riadenia a/alebo do svojich obchodných procesov, dôraz riadenia je kladený na neustále zlepšovanie a na kolektívne učenie.[1]

Úlohou každého zamestnávateľa je vytvorenie bezpečného pracovného prostredia, ktoré si vyžaduje systémový prístup, ale aj vynaloženie určitých nákladov na zaistenie opatrení na elimináciu alebo minimalizáciu rizika.

Štruktúra nákladov na BOZP

80


20 567,04 17 295,82

26 055,90 22 347,94

38 737,97

-

50 000,00

2012 2013 2014 2015 2016

Priemerné náklady vynaložené na prevenciu v stavebníctve EUR/org. (v kat. od 10 a viac zam.)

Priemernénákladyvynaloženénaprevenciu

Finančné prostriedky vynaložené na prevenciu prispievajú k tvorbe bezpečného pracovného prostredia a môžu obsahovať náklady na :

- kolektívne zabezpečenie, - individuálne zabezpečenie, tzn. OOPP (osobné ochranné pracovné prostriedky), - vzdelávanie a školenie (oboznamovanie a informovanie), zácvik, - kontrolu (bezpečnostné kontroly a stretnutia), - bezpečnostné stimuly a propagáciu (letáky, plagáty, reklama), - bezpečnostné náklady na oblasť inovácií (výskum, vývoj), - poistenie a kvalifikačný rozvoj (školenia, kurzy a pod.), - služby, ako je pracovná zdravotná služba a bezpečnostno-technická služba, - náklady spojené s údržbou zariadení (ako napr. revízne skúšky vyhradených technických

zariadení a pod.).

Finančné prostriedky, vynaložené v dôsledku nedodržiavania legislatívnych požiadaviek na zaistenie BOZP, môžu obsahovať nasledovné náklady:

- zmluvné pokuty od objednávateľa (za nedodržanie BOZP, penále za oneskorenie dodávok), - sankcie IP (Inšpektorát práce), t. j. pri previerkach, pri vzniku pracovného úrazu, - platenie PN (pracovná neschopnosť), prijatie náhradníka do pracovného pomeru, - finančné odškodnenie, právne výdaje, materiálové škody, - náprava škôd a strata produktivity (prestoje - zdržanie výrobného procesu), - psychická ujma postihnutého pracovníka, znovu adaptácia pracovníka a aj pracoviska, - narušenie imidžu značky podniku (trestná zodpovednosť).

2.1 Porovnanie nákladov na prevenciu s nákladmi na nápravu za rok 2016

Pre orientačné porovnanie nákladov vynaložených na prevenciu s nákladmi na nápravu, zamerané na rok 2016, môžeme vychádzať z hodnôt získaných z prieskumu za roky 2012 - 2016 [3, 4]. Na Slovensku bolo v oblasti stavebníctva v roku 2016 investovaných do prevencie (v kategórii od 10 a viac zamestnancov) celkovo 8 406 000 EUR vo vybraných 217–tich organizáciách (čo je 17% z celkového množstva stavebných firiem na Slovensku). Náklady, vynaložené na prevenciu počas rokov 2012 - 2016, majú stúpajúci charakter (viď. graf č. 1). V roku 2016 boli zaznamenané najvyššie priemerné náklady na prevenciu v rámci jednej organizácie. Tento nárast bol spôsobený tým, že sa na BOZP začína klásť čoraz väčší dôraz a tlak, najmä zo strany Európskej únie. Prispievajú k tomu aj zahraničné firmy, ktoré pri realizácii veľkých projektov vnášajú do BOZP svoju politiku, častokrát na vysokej úrovni. Ďalší prínos môžeme sledovať vo vývoji nových technológií a zariadení, ktoré rovnako prispievajú k tvorbe bezpečnejšieho pracovného prostredia.

Z podkladov získaných od NIP bolo zistené, že v roku 2016 uložili 128 sankcií v celkovej hodnote 371 950 EUR ( v kategórií od 10 a viac zamestnancov). Tieto sankcie boli uložené ako postihy pri previerkach v počte 127 ks, v celkovej hodnote 321 950 EUR, čo je v priemere 2 535 EUR/sankcia a ako postihy pri vyšetrovaní smrteľného a závažného pracovného úrazu v počte 1 ks, v celkovej

Graf č. 1 : Množstvo vynaložených prostriedkov na prevenciu za roky 2012-2016. [3]

81


56 101

126 186

128

-

100

200

2012 2013 2014 2015 2016

Celkové množstvo uložených postihov NIP v EUR (v kat. od 10 a viac zam.)

Množstvouloženýchpostihov

410 360 353

385

289

-

200

400

600

2012 2013 2014 2015 2016

Celkový počet závažných PÚ (v kat. od 10 a viac zam.)

Počet PÚ

hodnote 50 000 EUR. Uvedené hodnoty postihov môžeme považovať za likvidačné, najmä pre malé a stredné podniky, ktoré tvoria najväčšiu skupinu stavebných podnikov na Slovensku. Postihy zo strany NIP vznikli ako dôsledok nedodržiavania BOZP na pracovisku. Z grafu č. 2 vyplýva, že najväčšie množstvo sankcií bolo uložených NIP v roku 2015 (celkovo 186), pričom v roku 2016 bol zaznamenaný ich radikálny pokles takmer o 31% oproti predchádzajúcemu roku. Pokles množstva pokút uložených od NIP bol výrazne nižší aj v dôsledku zvýšenia výdavkov vynaložených v danom roku na prevenciu.

Graf č. 3 vyjadruje počet závažných PÚ, pričom za posledných päť rokov sa najnižší počet vyskytol v roku 2016, aj keď už od roku 2012 zaznamenávame v množstve pracovných úrazov klesajúcu tendenciu. Tento jav môže byť spôsobený aj zvýšeným tlakom zo strany NIP, ktorý ukladal pri previerkach v tomto období viac sankcií za nedodržiavanie BOZP (viď. graf č. 2). Klesajúci charakter počtu pracovných úrazov mohol nastať rovnako aj v dôsledku zvýšených nákladov do prevencie, ktoré svedčia o tom, že zamestnávatelia si začínajú uvedomovať potrebu vynakladať väčšie finančné prostriedky do bezpečnejšieho pracoviska.

3 MODEL EFEKTÍVNOSTI NÁKLADOV NA OCHRANU PRÁCE

Vzhľadom na prístup organizácie k dodržiavaniu pravidiel BOZP predpísaných legislatívou, môžeme pri určitom zjednodušení, pomocou analýzy rôznych typov správania, rozdeliť organizácie na tri skupiny (Tab. 1): I. sk. zamestnávateľ zabezpečuje len minimálnu ochranu pracovníkov; II.sk. zamestnávateľ zabezpečuje základnú, legislatívou určenú ochranu pracovníkov; III. sk. zamestnávateľ zabezpečuje nadštandardnú ochranu pracovníkov, nad rámec legislatívnych požiadaviek.

Definícia skupín ochrany I. II. III. Prístup k BOZP Minimálny Základný Nad rámec požiadaviek Investície do BOZP CM CZ CNR Počet PÚ, pokút Poisson [λM1], [λM2] Poisson [λZ1], [λZ2] Poisson [λNR1], [λNR2] Náklady na nápravu za PÚ a za pokuty EXP [μM1],[μM2] EXP [μZ1], [μZ2 ] EXP [μNR1], [μNR2]

Tab. č.1 Vstupné hodnoty matematického modelu.

3.1 Prevencia

Činnosti, ktoré organizácia podľa prístupu zamestnávateľa vynakladá k zaisteniu BOZP, patria do oblasti preventívnych činností a preto rozlišujeme aj tri skupiny preventívnych nákladov:

- pre I. sk. náklady CM [Eur], sú minimálne, nakoľko organizácia riskuje a pracovníkov nechráni, - pre II. sk. náklady CZ [Eur], sú to náklady vznikajúce v zmysle legislatívnych požiadaviek, - pre III. sk. náklady CNR [Eur], sú to náklady na nadštandardnú ochranu práce, nad rámec legislatívnych požiadaviek.

Graf č. 3 : Množstvo postihov uložených NIP. [2] Graf č. 2: Počet PÚ za roky 2012-2016. [2]

82


3.2 Pracovné úrazy a náklady na pracovné úrazy

Pracovné úrazy

Aplikácia Poissonovho modelu nám umožňuje predpovedať počet pracovných úrazov, ktoré sa udejú na stavenisku. Ak vieme odhadnúť počet pracovných úrazov na stavbe, môžeme odhadnúť aj ich náklady a priradiť ich k nákladom na prevenciu.

Pre každú sledovanú skupinu zadefinujeme výskyt pracovných úrazov ako diskrétnu premennú (X1) pomocou Poissonovho rozdelenia s parametrom λ:

- pre I. sk. počet pracovných úrazov (λM1), - pre II. sk. počet pracovných úrazov (λZ1), - pre III. sk. počet pracovných úrazov (λNR1).

Hypotéza 1: Čím vyššie budú investície do prevencie, tým nižší bude počet pracovných úrazov, t. j. (λM1) > (λZ1) > (λNR1).

Náklady na pracovné úrazy

Náklady na pracovné úrazy môžeme považovať za spojitú náhodnú premennú (Y1) a vyjadriť ju pomocou exponenciálneho rozdelenia s parametrom μ:

- pre I. sk. náklady na pracovné úrazy (μM1), - pre II. sk. náklady na pracovné úrazy (μZ1), - pre III. sk. náklady na pracovné úrazy (μNR1).

Hypotéza 2: Čím vyššie budú investície do prevencie, tým nižšie budú náklady na pracovné úrazy, t. j. (μM1) > (μZ1) > (μNR1).

3.3 Počet sankcií udelených pri kontrolách IP a náklady na sankcie

Počet sankcií udelených IP

Aplikácia Poissonovho modelu nám môže pomôcť predpovedať aj počet sankcií, ktoré by boli uložené pri náhodných kontrolách Inšpektorátu práce úmerne k stupňu nedodržiavania BOZP. Ak vieme odhadnúť počet sankcií aj výšku nákladov, ktoré sú s nimi spojené, môžeme tieto náklady pridať k nákladom na prevenciu a k nákladom na pracovné úrazy, a tým získať celkové náklady na bezpečnosť na pracovisku.

Pre každú sledovanú skupinu zadefinujeme výskyt udelených sankcií ako diskrétnu premennú (X2) pomocou Poissonovho rozdelenia s parametrom λ:

- pre I. sk. počet udelených sankcií (λM2), - pre II. sk. počet udelených sankcií (λZ2), - pre III. sk. počet udelených sankcií (λNR2).

Hypotéza 3: Čím vyššie budú investície do prevencie, tým nižší bude počet udelených sankcií, t. j. (λM2) > (λZ2) > (λNR2).

Náklady na udelené sankcie

Náklady na udelené sankcie môžeme považovať za spojitú náhodnú premennú (Y2) a vyjadriť ju pomocou exponenciálneho rozdelenia s parametrom μ:

83


- pre I. sk. náklady na udelené sankcie (μM2), - pre II. sk. náklady na udelené sankcie (μZ2), - pre III. sk. náklady na udelené sankcie (μNR2).

Hypotéza 4: Čím vyššie budú investície do prevencie, tým nižšie budú náklady na udelené sankcie, t. j. (μM2) > (μZ2) > (μNR2).

3.4 Celkové náklady

Premenné X a Y sú nezávislé a nekorelované, preto strednú hodnotu celkových nákladov môžeme vyjadriť: E(celková suma) = C + E(X1 . Y1) + E(X2 . Y2) = C + E(X1) . E(Y1) + E(X2) . E(Y2) (1)

Celkové sumy pre jednotlivé skupiny budú vyjadrené nasledovne:

Pre I. skupinu: (celková suma) ≈ + + (2)

Pre II. skupinu: (celková suma) ≈ + + (3)

Pre III. skupinu: (celková suma) ≈ + + (4)

Predložený matematický model umožňuje porovnať náklady, ktoré vzniknú na základe rôznych prístupov k BOZP, t. j. k dodržiavaniu či prekročeniu legislatívnych povinností.

4 ZÁVER

Téma zabezpečovania BOZP je vysoko aktuálna a tvorí veľmi dôležitý aspekt stavebnej výroby. Zamestnávatelia svojim postojom k BOZP rozhodujú o výške investícií do tejto oblasti. Najväčšie náklady sú obvykle vynakladané najmä na kolektívne zabezpečenie a na osobné ochranné pracovné prostriedky. Zamestnávatelia, ktorí sa rozhodli zlepšovať podmienky v oblasti BOZP, vynakladajú nemalé finančné prostriedky aj na rozvoj a používanie nových technológií, ako aj posilňovanie funkcií preventívnych a ochranných služieb, čím prispievajú k vytváraniu bezpečnejšieho pracovného prostredia.

Nežiaducim dôsledkom nesprávneho prístupu k BOZP bývajú pracovné úrazy, ktoré prinášajú pre zamestnávateľa nutnosť vynakladať prostriedky na ich nápravu. S nesprávnym postojom k BOZP súvisia aj sankcie udelené NIP, ktorých veľkosť bude adekvátna prístupu zamestnávateľov.

Pokiaľ sa v organizácii bezpečnostné predpisy nedodržiavajú, zdanlivo sa tieto investície ušetria, ale v prípade pracovného úrazu môžu sankcie dokonca prevyšovať preventívne náklady. V súčasnosti organizácie dodržiavajú bezpečnostné predpisy skôr pod hrozbou sankcií, preto môže pomôcť pri rozhodovaní sa o prístupe k BOZP model, pomocou ktorého si každý zamestnávateľ dokáže sám prehodnotiť efektívnosť prostriedkov investovaných do BOZP.


[1] Kiviniemi, M., Sulankivi, K., Kähkönen, K., Mäkelä, T. & Merivirta, M. 2011. BIM-based safety man-agement and communication for building construction. VTT Tiedotteita-Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus (2597): 1-123.

[2] Databáza NIP

[3] Informačný systém MPVR SR, zdroj : Zberný portál TREXIMA Bratislava, spol. s r.o.

[4] Databáza SLOVSTAT

84


ANALÝZA VÝHOD A NEVÝHOD “MOKRÉHO” A “SUCHÉHO” POTERU POUŽÍVANÉHO V PODLAHOVÝCH SYSTÉMOCH

THE ANALYSIS OF PROS AND CONS WET OR DRY UNDERLAYMENT USING IN FLOORING SYSTEMS

Ing. Barbara Chamulová, PhD.

ABSTRAKT

Podlahové systémy je možné vo všeobecnosti rozdeliť na mokré a suché. Pri mokrých systémoch tvorí roznášaciu a vyrovnávaciu vrstvu betónový alebo anhydritový poter, ktoré potrebujú vodu pre svoju realizáciu. Pri suchých systémoch sa využívajú sádrovláknité, sádrokartónové alebo cementové dosky [4]. Voľbu vyrovnávacej vrstvy ovplyvňuje viacero faktorov, predovšetkým rýchlosť uloženia samotnej roznášacej vrstvy, technologické prestávky, hrúbka vrstvy, hrúbka vlastnej podlahy, jej únosnosť, tepelnotechnické parametre, možnosť zabudovania podlahového vykurovania alebo chladenia, cena a životnosť. Článok sa zaoberá porovnaním výhod a nevýhod klasického cementového poteru so sadrokartónovými doskami Norgips ako vyrovnávacou a roznášacou vrstvou v podlahovom systéme.

Kľúčové slová: podlahové systémy, roznášacia vrstva, cementový poter, sádrokartónová doska

ABSTRACT

In general, flooring systems can be divided into two main categories, namely wet and dry systems. In wet systems, cement screed and calcium sulphate screed are used for levelling a floor underlayment, naturally in the presence of water. On the other hand, gypsum boards as well as cement boards and gypsum wood fibre boards are applied to dry systems [4]. There are several factors, affecting the preference of flooring underlayment, which are: installation speed of spread layer, the duration of technological lags, the thickness of each layer as well as the whole flooring, it’s bearing capacity, thermal-technical parameters, the possibility of installation underfloor heating and cooling system, the price and the lifespan. This article discusses the advantages and disadvantages of a common cement screed as a levelling layer in flooring systems with the use of Norgips gypsum boards.

Key words: flooring systems, floor underlayment, cement screed, gypsum board

1 ÚVOD

V stavebnej praxi rozlišujeme viacero typov podlahových systémov. Poznáme dva základné typy a to podlahový systém jednovrstvový a viacvrstvový. Pri viacvrstvovom systéme sa vyskytujú tieto základné funkčné vrstvy:

1. nášlapná – navrchnejšia vrstva podlahy, vytvára bezprostredný kontakt s prostredím či už v exteriéri alebo v interiéri, má mať svoje špecifické vlastnosti, ako sú pružnosť, nešmykľavosť, bezprašnosť, malá tepelná vodivosť, ľahká údržba a čistiteľnosť, tlmenie krokového zvuku ap.

2. roznášacia – spravidla leží pod nášlapnou vrstvou. Niekedy s ňou môže tvoriť jeden celok. 3. tepelnoizolačná – vyskytuje sa vtedy, keď horizontálne konštrukcie oddeľujú dva priestory

s rozdielnymi teplotami prostredia (napr. vykurovaný a nevykurovaný priestor, podlahy

85


položené na teréne). Spravidla sa kladie pod roznášaciu vrstvu alebo dokonca môže plniť aj funkciu roznášacej vrstvy.

4. zvukoizolačná – jej úlohou je tlmiť krokový zvuk a súčasne prispievať k tlmeniu zvuku, ktorý sa šíri vzduchom.

5. vodotesná – uplatňuje sa pri podlahách priamo na teréne alebo v suterénnych priestoroch, kde je potrebné ochrániť vrchné vrstvy podlahy pred zemnou vlhkosťou alebo podzemnou vodou.

Poter je tvorený jednou alebo viacerými vrstvami poterového materiálu, ktoré môžu byť pevne spojené alebo nespojené (oddelený separačnou alebo izolačnou vrstvou) s podkladom. Poter ako dokončujúca vrstva podlahy je dôležitý stavebný prvok, ktorý dotvára interiér a musí okrem estetických požiadaviek spĺňať aj celý rad požiadaviek technických ako sú napr. rovinnosť, odolnosť voči oteru, pevnosť, tvrdosť, dobrá tepelná vodivosť (dôležité pri podlahovom vykurovaní), nehorľavosť a mnohé iné. Je to vrstva, ktorá je hrubá niekoľko centimetrov a nachádza sa medzi nosnou stropnou konštrukciou a nášlapnou vrstvou podlahového systému, plní roznášaciu a vyrovnávaciu funkciu.

Poter môže byť vytvorený mokrým alebo suchým procesom. Pri mokrom procese rozoznávame dva spôsoby spracovania:

• Klasické potery – potery, ktoré pri hrubom kladení do plochy nevytvárajú samovoľne vodorovný povrch. Poter sa na miesto zabudovania kladie v zavlhnutej konzistencii, nahrubo sa rozprestrie, stiahne sa latou do roviny a vyhladí oceľovým hladidlom.

• Liate potery – potery, ktoré pri vylievaní samovoľne vytvárajú vodorovný povrch. Poter sa na miesto zabudovania kladie v tekutej konzistencii, nahrubo sa roztiahne a upraví predpísaným spôsobom.

Podľa druhu použitého spojiva sú mokré potery:

• Cementové potery – ako hlavné spojivo je použitý cement • Sadrové (anhydritové) potery – ako spojivo je použitá sadra bez obsahu kryštalickej vody.

Na trhu možno nájsť viaceré suché podlahové systémy od rozličných výrobcov, väčšinou na báze sadrokartónu, sadrovláknitých a cementových dosiek. Pri suchom procese – ukladaní dosiek sa používa spájanie jednotlivých vrstiev dosiek pomocou lepidla a spôn.

Podľa umiestnenia poteru v podlahovej konštrukcii rozlišujeme tri hlavné systémy:

• Kontaktný poter (spojený poter) je priamo spojený s podkladovou vrstvou. Spojenie môže byť realizované priamym kontaktom alebo pomocou spojovacej vrstvy v celej ploche tak, aby bol vylúčený akýkoľvek vzájomný vodorovný posun na rozhraní podkladovej vrstvy a poteru. Prípadné vodorovné pohyby poteru a podkladu musia byť zhodné a všetky napätia vznikajúce z technologických a teplotných zmien, od zaťaženia a prevádzky musia byť zachytené spriahnutou sústavou vrstiev poteru a podkladu. Poter by mal byť od zvislých konštrukcií oddelený pružnými okrajovými dilatačnými páskami, aby prípadné pevné spojenie poteru s okolitými zvislými konštrukciami nebránilo pohybom poteru.

• Oddelený poter je od podkladovej vrstvy oddelený separačnou vrstvou a nie je teda vylúčený vzájomný vodorovný posun na rozhraní vrstiev poteru a podkladu. Prípadné vodorovné pohyby poteru a podkladu nemusia byť zhodné, vodorovné napätia v jednej vrstve nepôsobia na vrstvu druhú. Pre zabezpečenie voľného pohybu poterovej dosky musí byť teda oddeľujúca vrstva celistvá, aby nedošlo k pevnému spojeniu poteru s podkladom, ktoré by bránilo pohybu poterovej dosky. Od zvislých konštrukcií je poter taktiež oddelený pružnými okrajovými dilatačnými páskami tak, aby sa poterová vrstva mohla pri objemových zmenách pohybovať

86


ako voľná doska. Okrajová dilatačná páska zároveň eliminuje prestup hluku z podlahy do zvislých konštrukcií. Oddelený poter sa používa tam, kde nie sú na podlahu kladené zvýšené zvukovo izolačné požiadavky.

• Plávajúci poter je poter nanesený na zvukovoizolačný a/alebo tepelno-izolačný podklad, ktorý je úplne oddelený od priliehajúcich stavebných častí. Plávajúci poter sa navrhuje v prípadoch, kde sú na podlahu kladené tepelnoizolačné alebo zvukovoizolačné požiadavky. Aby sa poterová doska mohla pri objemových zmenách samostatne pohybovať, ako aj pre zabezpečenie dostatočnej zvukovej izolácie podlahy, musí byť poter oddelený od zvislých konštrukcií okrajovými dilatačnými páskami. Nosnosť plávajúcich poterov je daná pevnosťou poteru, hrúbkou poteru a tuhosťou izolácie. Do tejto skupiny patrí aj poter na podlahovom vykurovaní.

Najväčšej obľube sa v dnešnej výstavbe tešia predovšetkým plávajúce potery, čo je dané charakterom budovaných stavieb – stavby určené na bývanie, občiansku vybavenosť a administratívne účely. Porovnanie výhod a nevýhod poterov vyhotovených mokrou a suchou technológiou je z tohto dôvodu urobené pre plávajúci poter ako súčasť skladby podlahovej konštrukcie navrhovanej a realizovanej najmä v bytoch v bytových domoch.

2 POROVNANIE KLASICKÉHO CEMENTOVÉHO POTERU S POTEROM ZO SADROKARTÓNOVÝCH DOSIEK

V nasledujúcej kapitole sú porovnané dva odlišné druhy vyhotovenia roznášacích vrstiev podlahy z hľadiska rýchlosti realizácie, nákladovosti a životnosti. So vzrastajúcou rýchlosťou výstavby nachádzajú suché podlahy stále širšie uplatnenie, a preto jedna z porovnávaných možností vyhotovenia roznášacej vrstvy je riešená práve zo sadrokartónových dosiek v kontraste s cementovým poterom realizovaným mokrým procesom.

2.1 Klasický cementový poter – poter BAUMIT Estrich

Pre porovnanie bol zvolený klasický plávajúci cementový poter BAUMIT Estrich. Je to priemyselne vyrábaná suchá poterová zmes triedy CT-C20-F5 podľa STN EN 13813 pre ručné a strojové spracovanie. Poterová zmes je vhodná na všetky bežné minerálne podklady ako napríklad betón, zároveň na realizáciu kontaktného, oddeleného, plávajúceho poteru ako aj na podlahy s podlahovým vykurovaním. Určený je ako podklad pod finálnu nášľapnú vrstvu pre všetky bežné priestory aj priestory s vyššou vlhkosťou [7]. Nižšie sú uvedené niektoré technické parametre potrebné pre porovnanie:

• Spotreba vody: cca 2,5 l/25 kg vrece cca 4 l/40 kg vrece

• Spotreba materiálu: cca 20 kg/m2/1 cm • Spotreba vody: 0,12 l/kg • Odporúčaná hrúbka - plávajúci poter: 45 – 70 mm • Baumit Separačná fólia PE: 1,1 m2/m2

Pri ukladaní, ošetrovaní a schnutí poteru by mali byť dodržané nasledujúce podmienky:

• Teplota vzduchu, materiálu a podkladu nesmie počas spracovania a tuhnutia materiálu klesnúť pod +5°C a prekročiť +30°C.

• Pri spracovaní materiálu chrániť poter zodpovedajúcim spôsobom pred prievanom, pôsobením priameho slnečného žiarenia.

87


• Počas zrenia je potrebné poter chrániť 14 dní pred príliš rýchlym vysušením. Následne zabezpečiť dostatočné vetranie (plne otvorené okná a dvere). Pochôdznosť po cca 3 dňoch, zaťažiteľnosť po cca 21 dňoch, ale vzťahuje sa to na teplotu prostredia +20°C a relatívnu vzdušnú vlhkosť vzduchu ≤ 70 %. Nepriaznivé klimatické podmienky ako nižšia teplota a vyššia vzdušná vlhkosť môžu dobu zretia zreteľne predĺžiť.

• Odporúča sa počas prvých 48 hodín po realizácii poter udržiavať vo vlhkom stave. Chrániť ho prekrytím fóliami pred prievanom, slnečným žiarením. Priestory by mali byť uzatvorené. Od tretieho dňa by sa malo intenzívne nárazovo vetrať min. 5x denne v trvaní min. 10 minút.

Pred položením finálnej vrstvy podlahy je potrebné zabezpečiť maximálnu prípustnú vlhkosť v konštrukcii poteru. Norma STN 74 4505 Podlahy hovorí, že „najvyššia dovolená celková vlhkosť vrstiev umiestnených pod podlahovinou, vrátane stropnej konštrukcie, musí byť taká, aby nedošlo k porušeniu funkčných požiadaviek, kladených na hotovú podlahu. Najvyššia dovolená vlhkosť vrstiev sa riadi najmä druhom podlahoviny, druhom podkladu umiestneným bezprostredne pod ňou a spôsobom realizácie“ [6]. Neuvádza však už konkrétne hodnoty maximálnej vlhkosti podkladu. Najvyššia dovolená vlhkosť cementového poteru v percentách CM podľa firemných podkladov Baumit je uvedená v nasledujúcej tabuľke:

Nášlapná vrstva Vlhkosť Dlažba do tenkovrstvového lôžka 2,5 % CM

Drevené podlahy, drevené vlysy, dyhované parkety

2,0 % CM

Korkové podlahy, laminát, PVC, linoleum 2,5 % CM

Dlažba do hrubovrstvového lôžka 2,5 % CM

Paropriepustné textilné podlahoviny 2,5 % CM

Liate podlahoviny na báze cementu 2,5 % CM

Tab. 1 Dovolené vlhkosti cementového poteru v percentách CM podľa BAUMIT [7]

2.1.1 Výhody a nevýhody klasického cementového poteru

Výhodami klasických cementových poterov sú predovšetkým:

• možnosť ich využitia v priestoroch s vysokou vlhkosťou, • zaťažiteľnosť – do 10 KN/m2, • dlhá životnosť – cca 80 rokov, • bezúdržbovosť

Asi najväčším mínusom pri klasických cementových poteroch je to, že sa do konštrukcie vnáša veľké množstvo vlhkosti, ktoré potrebuje dlhý čas na to, aby objem vlhkosti v konštrukcii dosiahol prípustné hodnoty pre jednotlivé druhy nášlapných vrstiev v zmysle Tab. 1. Jedná sa o proces schnutia – technologickú prestávku medzi realizáciou poteru a kladením vrchnej nášlapnej vrstvy, ktorý nie je možné ničím výrazne ovplyvniť. Následne pri nedodržaní technologickej prestávky a uložení nášlapnej vrstvy pred dosiahnutím maximálnej prípustnej vlhkosti v konštrukcii poteru s najväčšou pravdepodobnosťou dôjde k výskytu porúch v dôsledku zabudovanej vlhkosti.

Okrem toho je možné medzi nevýhody zaradiť aj samotný spôsob spracovania klasického cementového poteru. Na rozdiel od liatych anhydritových poterov spracovaných strojovo, kde sa zmes z hadice rozlieva postupne po celej ploche do požadovanej výšky, pri uložení cementového poteru sa materiál kladie (rozprestrie) na pripravený podklad, prípadne do vodiacich pásov z poterovej hmoty

88


podľa zameraných výšok, ktoré slúžia na vytýčenie požadovanej výšky a nivelety. Po položení sa poter zhutní, povrch sa zarovná do roviny sťahovacou latou alebo vibračnou lištou a následne sa vyhladí pomocou gletovacieho hladidla na potery. Z uvedeného vyplýva vyššia prácnosť pri spracovaní cementového poteru oproti anhydritovým liatym poterom.

2.2 „Suchý poter“ zo sádrokartonových dosiek NORGIPS DFIR

Pre porovnanie bol zvolený suchý poter z dosiek NORGIPS. Jedná sa o suchý poter zo špeciálnych sadrokartónových dosiek pre bežné podlahy a plávajúce podlahy. Norgips DFIR podlahové platne sú určené do miestností, kde relatívna vlhkosť vzduchu nie je viac ako 70%. Môže byť použitá aj v miestnostiach s vyššou vlhkosťou ako sú napríklad kuchyne a kúpeľne ak je povrch opatrený vhodným hydroizolačným náterom. Nesmie byť použitá na miestach kde hrozí dlhodobý kontakt s vodou, napr. exteriér. V takom prípade hrozí zničenie a zdeformovanie dosky [2].

Sadrokartónová podlahová doska je 12,5mm tlaku odolná doska, ktorá je navrhnutá špeciálne s ohľadom odolávať bežnému zaťaženiu v domoch a bytoch. Skladá sa z vláknami vystuženého sadrového jadra, vloženého medzi dve vrstvy veľmi odolného kartónu. Podlahová doska má rovné hrany a rozmery, hmotnosť a pevnosť ju odlišujú od bežných sadrokartónových dosiek na steny a stropy. Na obr. 1 je skladba podlahy s doskami NORGIPS ako plávajúcim suchým poterom.

Obr. 1 – Skladba suchého plávajúceho poteru z dosiek NORGIPS [2]

Legenda:

1. Parozábrana alebo iná izolácia proti vlhkosti 2. Dilatačný pás hrúbky 10mm 3. Izolačné dosky z minerálnej vlny alebo podsyp Liapor 1-4mm 4. Prvá vrstva dosiek Norgips DFIR hrúbky 12,5mm 5. Lepidlo na podlahy Siga PRO PD 6. Druhá vrstva dosiek Norgips DFIR hrúbky 12,5mm 7. Fixačné skrutky do dreva 3,5x35mm alebo sponky

Nižšie sú uvedené niektoré technické parametre potrebné pre porovnanie:

• Hmotnosť: 14 kg/m2 • Rozmery jednej dosky: 600x2400x12,5 mm • Spotreba - dilatačný pás: 0,60 m/m2 • Spotreba - lepidlo Siga PRO PD: 0,40 kg/m2

89


• Spotreba - skrutky do dreva TX 3,5x35 mm: 10 ks/ m2

Pri ukladaní, ošetrovaní a schnutí poteru by mali byť dodržané nasledujúce podmienky a postup:

• Teplota vzduchu, materiálu a podkladu nesmie počas ukladania dosiek a lepenia klesnúť pod +5°C a prekročiť +30°C.

• Dosky Norgips sa kladú minimálne v dvoch vrstvách, po okrajoch sa na steny upevňuje dilatačný pás, v prípade potreby sa na stropnú konštrukciu položí parozábrana a na ňu sa uloží tepelná izolácia v požadovanej hrúbke, minimálne však v 2 cm hrúbke. Ako izolácia sa môže použiť izolácia z minerálnej vlny, jej objemová hmotnosť musí byť min. 130 kg/m3, aby bola schopná odolávať tlaku, podlahový polystyrén, pri podkladoch s veľkými výškovými rozdielmi je najvhodnejšie použiť suché keramzitové kamenivo Liapor frakcie 1-4 mm. V tejto alternatíve pri plávajúcom potere uloženom na tepelnej izolácii (obytné priestory – bytový dom) je predpoklad, že nie je potrebné vyrovnať veľké výškové rozdiely, a preto kamenivo Liapor nie je uvažované ani pri realizácii ani započítané do ceny.

• Najprv sa uloží prvá vrstva dosiek, ukladajú sa naprieč smeru pôvodnej podlahy a je potrebné dodržať minimálny rozostup medzi krátkymi škárami aspoň 30 cm. Po položení prvej vrstvy je nevyhnutné zbaviť sa prachu a voľných častíc na nej najlepšie vysavačom.

• Ďalšia vrstva sa ukladá krížom cez prvú vrstvu tak, aby sa spoje neprekrývali. Na prvú vrstvu sa nanesie lepidlo a rozotrie zubatým hladítkom. Následne sa druhá doska pevne pritlačí do lepidla, čo spôsobí úplné spojenie medzi dvoma vrstvami. Podobne sa postupuje s ďaľšou doskou.

• Prebytočné lepidlo sa môže po položení celej plochy odstrániť a dosky sa zaistia skrutkami alebo sponkami.

• Poter je pochôdzny po zaschnutí lepidla, t. j. na druhý deň a je možné po uprataní a povysávaní hornej vrstvy dosiek Norgips začať klásť konečnú podlahovú nášlapnú vrstvu.

2.2.1 Výhody a nevýhody suchého poteru zo sádrokartonových dosiek NORGIPS

Realizácia suchých poterov z dosiek či už zo sádrokartónu, či sádrovláknitých alebo drevocementových, prípadne z iných materiálov má nesporne celý rad výhod, ku ktorým predovšetkým patria:

• jednoduchá aplikácia, rýchle položenie, nižšie finančné náklady a možnosť širokého spektra povrchových úprav,

• možnosť prerušenia technologického procesu ukladania, • ukladanie suchých systémov nevyžaduje žiadnu náročnú mechanizáciu, ako je to v prípade

mokrých systémov, • suchý podlahový systém navyše staticky výrazne nezaťaží nosnú konštrukciu, • poter je okamžite pochôdzny a na druhý deň po položení hornej vrstvy dosiek možno klásť

nášlapnú vrstvu • suchá technológia nevnáša vlhkosť do stavby • výborná rovinnosť výslednej podlahy, suchý poter z dosiek dokáže eliminovať drobné

nerovnosti podkladových vrstiev • suchým poterom sa výrazne obmedzí kročajový hluk a zlepší sa nepriezvučnosť konštrukcie

podlahy a aj požiarnej odolnosti stavby

Medzi hlavné nevýhody suchých poterov patrí ich nižšia zaťažiteľnosť a únosnosť, ktorá je v rozpätí od 1,5 kN (150 kg/m2) do 3,0 kN (300 kg/m2) [4]. Ďalším nesporne výrazným mínusom je životnosť suchých poterov, ktorá je cca 40 rokov. Po uplynutí životnosti je potrebné dosky z konštrukcie odstrániť a vymeniť za novú roznášaciu vrstvu.

90


2.3 Porovnanie vybraných alternatív z viacerých hľadísk

Nie je ničím prekvapujúce, že v dobe vzrastajúcej tendencie skracovať dobu výstavby, bolo časové hľadisko zvolené ako jedno z kľúčových parametrov porovnania. Každý investor či developer má záujem realizovať výstavbu za čo najnižšie ceny, preto je samozrejmé, že aj hľadisko nákladov bolo vybrané ako parameter porovnania. Okrem toho sú zhodnotené niektoré technologické parametre, ako vybavenie čiat pracovným náradím, technologická prestávka ai.

2.3.1 Porovnanie alternatív z cenového hľadiska

Porovnanie z hľadiska ceny je vypracované iba pre materiál, nakoľko sa jedná iba o jednotkové porovnanie na mernú jednotku 1 m2. Pre stanovenie jednotkovej ceny za realizáciu oboch alternatív bolo potrebné najskôr zistiť spotreby jednotlivých komponentov. Spotreby jednotlivých materiálov s cenovým ohodnotením sú spracované v tabuľke č. 2 a č. 3.

V tabuľke č. 2 je uvažované s cementovým poterom hr. 50 mm.

Materiál M.J. Spotreba na 1 m2

Jednotková cena (Eur/M.J.)

Cena za 1m2 poteru (Eur/m2)

BAUMIT Separačná fólia PE m2 1,1 0,80 0,88

BAUMIT Estrich t 0,1 117,- 11,70

Dilatačná páska bm - 0,26 -

Zámesová voda l 12 0,007 0,084

Spolu 12,664

Tab. 2 Materiálové náklady na cementový poter [3]

V tabuľke č. 3 je uvažované s dvomi vrstvami sadrokartónových dosiek NORGIPS.

Materiál M.J. Spotreba na 1 m2

Jednotková cena (Eur/M.J.)

Cena za 1m2 poteru (Eur/m2)

Dilatačný pás bm 0,6 0,185 0,11

Podlahová doska NORGIPS m2 2,0 3,65 7,35

Lepidlo Siga PRO PD kg 0,40 1,92 0,77

Skrutky do dreva TX 3,5x35 ks 10 0,007 0,07

Spolu 8,30

Tab. 3 Materiálové náklady na suchý poter z dosiek NORGIPS [2]

Z porovnania materiálových nárokov a ich cenového ohodnotenia sa ako výhodnejšia javí alternatíva suchého poteru zo sadrokartónových dosiek NORGIPS.

2.3.2 Časové požiadavky jednotlivých alternatív

Z časového hľadiska nie je rozhodujúca samotná dĺžka realizácie oboch alternatív, ale technologická prestávka, ktorá je potrebná po vyhotovení cementového poteru na elimináciu vody vnesenej do konštrukcie pri realizácii. Táto technologická prestávka je závislá predovšetkým od hrúbky poteru a od podmienok, v ktorých cementový poter schne. Podľa [5] čas potrebný na vyzretie tradičných poterov zhotovených zmiešaním cementového spojiva s kamenivom a vodou je pri dobrých klimatických

91


podmienkach približne 7-10 dní na 1 cm hrúbky. V tabuľke č. 4 sú porovnané jednotkové prácnosti s potrebnou technologickou prestávkou pre obe alternatívy.

Typ poteru Jednotková prácnosť [Nh/m2]

Technologická prestávka [dni]

BAUMIT Estrich 0,35 5*7=35

(ideálne podmienky)

Dosky NORGIPS 0,25 1

Tab. 4 Porovnanie časových nárokov oboch alternatív

Z časového hľadiska je jednoznačne výhodnejšia alternatíva suchého poteru z dosiek NORGIPS, nielen že nie je potrebná technologická prestávka, ale aj samotné položenie dosiek je časovo menej náročné ako spracovanie klasického cementového poteru.

2.3.3 Zhodnotenie ostatných parametrov jednotlivých alternatív

Okrem vyššie uvedených hľadísk majú pre rozhodovanie, ktorú alternatívu je vhodnejšie uplatniť pri tej ktorej stavbe, tieto parametre:

Životnosť

Pri porovnaní životností je jednoznačným favoritom klasický cementový poter, jeho životnosť je cca 80 rokov, pričom životnosť sadrokartónových dosiek NORGIPS sa odhaduje na 40 rokov. Znamená to, že pokiaľ cementový poter „doslúži“, tak dosky NORGIPS je potrebné vymeniť a vlastne náklady na údržbu dosiahnu výšku obstarávacích nákladov a v konečnom dôsledku sa táto alternatíva stáva aj cenovo menej výhodná, ako riešenie s cementovým poterom.

Vybavenie čiat mechanizmami a pracovným náradím

Z tohto pohľadu je náročnejšia alternatíva s cementovým poterom, nakoľko si vyžaduje strojné vybavenie minimálne pumpu na poterové betóny (potery), prípadne miešačku, prípadne silo na skladovanie materiálu, laserový zameriavač, zabezpečenie dopravy jednotlivých mechanizmov- pumpy a sila, na stavenisko. Pri doskách NORGIPS postačuje ručné náradie, ako je akuvŕtačka, elektrická píla, vodováha. Premietnutím tohto vybavenia do ceny a organizácie prác, je možné konštatovať, že výhodnejšou je alternatíva s doskami NORGIPS.

Zaťažiteľnosť

Cementové potery sú schopné znieť zaťaženie až do 10 kN/m2, pričom dosky NORGIPS uložené aj vo viacerých vrstvách, maximálne 3,5 kN/m2. Čiže z tohto pohľadu dosky NORGIPS nemajú také široké uplatnenie ako klasické cementové potery.

3 ZÁVER

Výsledky porovnania jednotlivých parametrov, ekonomických, časových, technických a technologických ukazujú, že suchý poter NORGIPS predčil cementový poter BAUMIT Estrich najmä v rýchlosti vyhotovenia, nenáročnosti vybavenia na jeho realizáciu a v prvom pohľade aj v cenovom porovnaní. Avšak vzhľadom k dlhodobému užívaniu objektu – stavby, nízka životnosť suchého poteru z dosiek NORGIPS, ktorá prináša ďalšie náklady spojené s údržbou až vo výške 100%, sa cementový poter javí ako vhodnejšia technológia roznášacej vrstvy v podlahovej konštrukcii.

92


Cieľom článku bolo poukázať na možnosti riešenia roznášacej vrstvy v podlahovej konštrukcii, analyzovať jednotlivé parametre výstavby, ekonomické, časové, technologické ako aj technické, posúdiť dve zvolené alternatívy na základe vybraných parametrov, pričom nie je jednoznačný víťaz. Článok dáva možnosť nahliadnuť na viaceré aspekty, ktoré by mohli v stavebnej praxi investorom, developerom, projektantom a predovšetkým samotným zhotoviteľom pomôcť pri navrhovaní a rozhodovaní sa, čo je pre ich stavebné dielo tým optimálnym variantom.


[1] ADAMEOVÁ, O., IVANOVÁ, R.: Stavba budov – Mechanizácia a prevádzanie stavieb. Technológia dokončovacích procesov. STU, Bratislava, 1991. ISBN 8022704210

[2] http://finistav.sk/blog/prispevok/sadrokartonova-podlaha-norgips

[3] http://www.baumit.sk/upload/download/Baumit_cennik_2017.pdf

[4] JAN JUHÁS: Podlahové systémy. [30.11.2011]. Dostupné z: https://www.asb.sk/stavebnictvo/stavebne-materialy/obklady-a-dlazby/podlahove-systemy

[5] MAPEI: Technická príručka. Zhotovovanie poterov. Dostupné z: http://www.mapei.com/public/SK/linedocument/Zhotovovanie%20poterov_sk_nahlad.pd

[6] STN 74 4505:1987, Podlahy. Spoločné ustanovenia.

[7] Technologický predpis a technické detaily pre Baumit Potery a podlahové stierky. BAUMIT spol. s r. o. Bratislava. 2010. Dostupné z: http://www.baumit.sk/upload/download/Technologicky_predpis_Baumit_Potery_a_podlahove_stierky_A_text.pdf

[8] ZAJAC, J., ZAJAC, V.: Podlahy a dlažby. STU, Bratislava, 2005. ISBN 80-227-2253-7

93

http://www.baumit.sk/upload/download/Baumit_cennik_2017.pdf

https://www.asb.sk/stavebnictvo/stavebne

http://www.mapei.com/public/SK/linedocument/Zhotovovanie%20poterov_sk_nahlad.pd

http://www.baumit.sk/upload/download/Technologicky_predpis_Baumit_Potery_a_po


FACTORS AFFECTING THE CONSTRUCTION DEVELOPMENT IN THE EUROPEAN UNION

doc. Ing. Eva Jankovichová, Ph.D., Ing. Miroslav Ščepka

ABSTRACT

The Construction industry plays a key role for governments in both growing and mature economies. The sector creates new jobs, drives economic growth, and provides solutions to address social, climate and energy challenges. The construction industry has important linkages with other sectors, so that its impact on GDP and economic development goes well beyond the direct contribution of construction activities. Most factors, which influence and drive change in the sector, will affect the sector in the years to come. Most of the driving forces mentioned are external factors, which are changing the framework conditions.

The main aim of this article is to point out the impact of important factors on the development of the construction sector in EU.

Key words: construction development, SWOT analysis, digital construction

1 INTRODUCTION

The construction sector is characterized by many small enterprises and high labour intensity; it is also highly dependent on public regulations and public investments. Thus, policymakers frequently use the sector as a trend indicator – a cyclical stabilizer of macro – economic trends, which are restricted in periods with economic expansion and stimulated in periods of recession.

Most sub-sectors of the construction sector face a high level of competition, yet they are still strongly home-oriented. Several drivers will increase competition in the sector, such as the strengthening of the internal market by including service activities (the proposed EU directive on services in the internal market), EU enlargement, and a greater degree of market internationalisation for construction materials. Competition, however, does vary between different sub-sectors and from one EU country to another.

1.1 Impact of important factors on construction development

The development of construction in the European Union is affected by several factors that are the consequences of globalization. Among the most important are:

► productivity - in construction, it is in the long run lower than productivity in production,

► demography - the aging population and the threat of lack of skilled labor,

- renovating existing homes, adapting to the aging population = new opportunity for builders,

- transfer ownership of companies to the younger generation = opportunity and threat at the same time,

► the enlargement of the European Union - increasing competition,

- the possibility of companies entering new markets, - migration of the workforce,

► technological development - establishment of a European Technology Platform for construction to focus on:

94


❶ Wise Construction (Intelligent Buildings) - focused on innovation and research. ❷ Building the Future - aimed at achieving the Lisbon objectives: a knowledge-based economy, sustainable growth, high quality of life, employment, international competitiveness and security.

❸ Innovation Strategy - focused on the application of e-strategies in construction. ❹ Strategic Alliances, which represent a new grouping mechanism for companies where all partners are involved in the project with information technology connections - use of information and communication technologies in construction,

► electronic commerce in construction,

► focus attention on research and development as a key factor in obtaining a competitive advantage in international business,

► endeavoring for environmentally sustainable growth of construction,

► internationalization and globalization of the construction materials market, ► know-how in the construction industry, the development of vertical integration,

► company affiliation, various forms of partnerships and acquisitions,

► new ways of financing - PPP projects (Private-Public-Partnerships), ► legislation and regulation focused mainly on the continuous improvement of work safety and the so Green construction,

► changing qualification requirements for construction workers - knowledge and training in the use of new technologies,

- OHS education,

- training of communication skills and teamwork, language skills. [1]

1.2 SWOT analysis of construction sector in EU

The more are crashed the trade barriers and the more countries that participate in world trade, the more the world enters into a period of increasing competition. Moving towards globalization in the construction industry presents threats at the same time. Opportunities mainly relate to the expansion trend in international trade in construction that pushes businesses in less developed countries to adapt to international standards, which ultimately should lead to increased competitiveness in terms of quality, cost and timing of projects. The second side of the coin poses threats to prepare for competition on domestic and international markets.

Strengths Opportunities

■ Increased focus on R&D among the large construction companies

■ Growing specialization in many firms has created highly knowledgeable and competent companies

within specific construction fields

■ Growth markets in new Member States, China, India and others

■ Demographic changes leading to new markets developing

■ Environmentally sustainable development, including waste management

■ Off-site construction (pre-assembly) ■ Embedding ICT in construction products

and processes to improve efficiency and

95


effectiveness

■ Virtual prototyping for design, manufacture and operation

■ New market segments in BOOT activities (Build-Own-Operate-Transfer)

Weaknesses Threats

■ Low productivity

■ Weak industry image among customers and potential new workers

■ Problems with health and safety in terms of accidents and physical strain on employees

■ Problems with undeclared work

■ Little interest in further education and training among small construction companies

■ Low level of R&D investment among SMEs construction companies

■ SMEs lack marketing, ICT and management skills

■ Many European markets with stagnating growth, if any growth at all

■ Increasingly globalized engineering sector

■ Recruitment and retention of ageing workforce in some low-skilled professions

■ Inter-European price-based competition represents a threat to employment in some EU

countries

Tab. 1 SWOT analysis of construction sector in EU [2]

2 MARKET TRENDS: SUPPLY CHAIN INTEGRATION AND DIGITAL CONSTRUCTION The trend we have seen over the last few years is that the recovery of the local construction markets in Europe has not exactly led to a likewise increase of M&A (mergers & acquisitions) in the construction sector. In search for more revenue and profits the EU construction sector showed a significant increase in international and diversification transactions from 2012 until 2015. M&A activity over 2016 seems to break with these trends.

Compared to the total of 144 transactions in 2015, the number of transactions over 2016 has increased slightly, to 149. Both the percentage of cross-border transactions and diversification transactions dropped over 2016 – for the first time since 2012. Although the decline over 2016 is limited, the trend break indicates a renewed focus of European construction companies on local markets and their core business. Local real estate experts have noticed an increased focus on supply chain integration in the construction markets over 2016. This seems in line with the ongoing recovery of local construction markets, affiliated supply chain pressure, and construction companies focusing on increasing their revenues and profit margins in their core business on local markets. With growth being projected for most EU construction markets, we expect an increased focus on supply chain integration in the coming year.

Another noticeable trend is the increased application of digital construction across Europe. Now, as markets recover and demand for construction increases, the use and development of new technologies in the construction sector is finally growing. The pattern of the digital construction trend seems about the same in most EU construction markets: mainly larger construction companies are investing in

96


digital construction. As continuing growth is projected in the construction sector, we expect digital construction, and foremost BIM, to finally mature in the following years.

Fig. 1 Number of transaction in the construction sector [3]

2.1 Trend I: Supply chain integration

The European Construction market has witnessed a significant increase of cross-border and diversification transactions over the last five years. The trends of diversification and internationalization by European construction companies are primarily attributed to the search for revenue and profit due to the poor conditions on local markets.

Meanwhile, market conditions on the European continent recovered in the past two years. While construction volumes grew, sharply increased subcontractors’ prices continued to put pressure on operating margins. This so-called supply chain pressure results from the increased demand for construction associated with the challenge to attract sufficient labor and subcontractors with the right capabilities and capacity. Even though margins in the local construction sector have increased over 2016, supply chain pressure continues to be an issue in most European construction markets.

2.2 Trend II: Digital construction

Despite many construction companies across Europe have defined their focus on digital construction as a core vision for their future, few of them have structurally implemented digital construction into their business over the past few years. The economic downturn has meant construction companies scarcely invested in the development and adaptation of new technologies. Now, as markets recover and demand for construction is on the rise, the development and implementation of new technologies in the construction sector is finally growing.

One of the widespread innovations involves the use of drones. In Spain drones are used to supervise projects in less accessible areas.

The use of a technology known as Building Information Modelling (BIM) has particularly increased. BIM is a digital representation of a construction project and allows for the construction process to be simulated in all phases. It is an emerging technological shift within the Architecture, Engineering, Construction and Operations (AECO) industry. In a country like Finland the digital construction market matured quite fast.

The pattern of the digital construction trend seems about the same in most EU construction markets: mainly larger construction companies are investing in digital construction. As continuing growth is projected we expect digital construction, and foremost BIM, to finally mature in the following years. The question will be whether the smaller construction companies will be able to benefit from this trend or whether their inability to invest now means they will lose ground later on. [4]

97


Fig. 2 Industry Transformation Framework [5]

3 CONCLUSION

Forces driving change from within the sector are mostly the use of new technologies and organizational changes to adapt to the external drivers of change. Several factors will play a significant role in improving the sector’s competitiveness in the future, such as the use of ICT in materials and buildings (intelligent buildings), for presentation internally and externally (visualization), for communication with customers and among the partners within a construction project, and for process control (monitoring and tagging activities, materials and equipment). In procurement as well as during the construction process the use of e-business improves information sharing and virtual collaboration.

The transformation of the economy and society into advances in technology and rapid digitization is the onset of the so called 4th Industrial Revolution. This process is presented as a great opportunity for all economic actors, but it also points to certain risks associated with changing employment trends, increasing income inequality and increasing dependence on IT. [6]

The Fourth Industrial Revolution will bring about system changes that require engagement; we will have to think about new ways of cooperation across the public and private sectors. As the rate of change will continue to accelerate, we must maintain transparency for all stakeholders to consider the risks and benefits of each new shift. Communities and individuals need to be educated and equipped with the ability to use technology to contribute to a better world. We must not only focus on technological progress and economic prosperity, but also on the impact they have on people, society and the environment. [7]

98


Literature

[1] Processed by: European Foundation for the Improvement of Living and Working Conditions, 2005. Trends and Drivers of Change in the European Construction Sector. Mapping report p. 16. Available at: http://www.eurofound.eu.int

[2] JANKOVICHOVÁ, E. et al. (2016): Construction Economics I. Brno: Tribun EU, 2016, p. 14, ISBN 978-80-263-1129-4.

[3] Construction Monitor. 2016-2017: Growing opportunities in local markets. DeloitteNetherlands. March 2017, p. 07. Available at: https://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/pl/Documents/Reports/pl_European_construction_monitor.pdf

[4] Construction Monitor. 2016-2017: Growing opportunities in local markets. Deloitte Netherlands. March 2017, pp. 11-12. Available at: https://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/pl/Documents/Reports/pl_European_construction_monitor.pdf

[5] Shaping the Future of Construction. A Breakthrough in Mindset and Technology. Word Economic Forum; The Boston Consulting Group, May 2016, p. 09.

[6] PAUHOFOVÁ, I. – STANĚK, P. (2016): Adaptation Processes and Pulsing Economy. Košice: Equlibria, Ltd., 2016, p. 7, e-ISBN 978-80-7144-268-4.

[7] SCHWAB, K. (2016): Beware of the Fourth Industrial Revolution. World Economic Forum. In: SME Journal, Vol. 24, No. 252, October 10, 2016, p.12.

99

http://www.eurofound.eu.int

https://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/pl/Documents/Reports/pl_European_constr

https://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/pl/Documents/Reports/pl_European_constr


DETECTING CHANGES IN TRENDS AND SCALING EXPONENTS OF SHORT TERM RAINFALL: CASE STUDY FOR

THE ORAVSKÁ LESNÁ STATION prof. Ing. Silvia Kohnová, Ph.D., Ing. Karolína Ochabová, Ing. Gabriel Földes, prof. Ing.

Kamila Hlavčová, Ph.D.

ABSTRACT The aim of this study was to test the rainfall trend and scaling exponent changes of different duration at the Oravská Lesná climatological station during the observation period 1964 to 2009. Trends of rainfall intensities were tested for the durations of 5, 10, 15, 30, 40, 50, 60, 120, 180, 240 and 1440 minutes from April till October and for the whole warm period. To analyze the significance of rainfall trends Mann-Kendall trend test (Kendall, 1975) was used. Trend analysis of the short-term rainfall was performed for 90% significance. In the next step, the simple scaling methodology was applied to derive scaling exponents and compared changes in their values in different observation periods. Finally, the impact of changes in trends on scaling exponents at the selected station in Slovakia was discussed.

Key words: rainfall intensities, scaling exponents, Mann-Kendall trend test (Kendall, 1945)

1 INTRODUCTION Over the last decades extreme rainfall events become one of the most frequent natural hazards around the world. In the last twenty years the increased rainfall amounts are visible also in the central European countries. The storms with extremely high short-term rainfall become more frequent, and in the last decades the occurred events reached overall observation maxima of daily and hourly precipitation totals. Increasing of the temperature in the atmosphere increases the intensity of convective origin precipitation across faster than of stratiform precipitation (Berg et al., 2013). More amount of the water vapor content in the atmosphere is causing increase in global average temperature of the atmosphere and the ocean surface, with higher likelihood of extreme rainfall. The average increase in temperature of the planet in the future will also influence higher probability of extreme rainfalls. Analysis of changes and trends in daily rainfall has recently devoted several scientific studies (eg. Vaes et al. 2002, p. 55-61; Velpuri, Senay, 2013; Adamowski and Bougado 2003, p. 17; Santos and Fragoso 2013, p. 34-45; Romano and Preziosi 2013, p. 33), but the analysis of short-term rainfall is confined to a few authors. In recent decades, hydrological research has devoted considerable attention to improving the representation of precipitation fields both in time and space. One of the most important issues is the development of various simple and multiscaling models. They recognize rainfall organization at different scales through the concept of mesoscale precipitation areas and the clustering of cells in space and time; see e.g. Waymire and Gupta (1981), Waymire et al. (1984), Rodriguez-Iturbe et al. (1984), Marien and Vandewiele (1986), Sivapalan and Wood (1987), Veneziano et al. (1996). In Slovakia the scaling properties of extreme rainfall were first tested in the studies of Bara (Bara 2010, p.74; Bara 2009, p.25-32). In these studies, the simple scaling method was adopted in order to derive the rainfall intensities of sub-daily durations for places without observation. Later Látečková et al. (Látečková 2011, p.47-54) presented scaling exponents derived for the individual months and for the whole warm season and estimated IDF curves for the warm season (April to September) in analysed staions. The aim of this study was to test the trend changes of short term rainfall intensities at the Oravská Lesná climatological station. Subsequently, using a simple scaling methodology scaling exponents were determined and compared according to the changing trends of specific rainfall intensities.

100


2 METHODOLOGY For the testing of trends in time series as precipitation, flows, water quality indicators etc., Mann-Kendall trend test (Kendall, 1975) is often used. The Mann-Kendall trend test is nonparametric test based on the correlation between the alignment of the time series and their time arrangement. For series X = {x1, x2, ..., xn}, a test statistic is given by (Yue et al. 2012, p. 11-26): S = ∑ ∑ sign x − x , (1)

where n is the length of the data series and are the sequential data in the series and

Sign x − x = 1, x − x > 0 0, x − x = 0−1, x − x < 0, (2)

The test statistic S shall approximately normal distribution with time series n ≥ 8, variance is given by: VAR(S) = n(n − 1)(2n + 5) − ∑ t (t − 1)(2t + 5) , (3)

where is the number of ties for the value and q is the number of tied values. The second term in the variance formula is for tied censored data. Standardized test statistic Z is computed by

= ⎩⎪⎨⎪⎧ ( ) pre S > 00 pre S = 0 ( ) pre S < 0 . (4)

To test for monotonic trend at a significance level, the null hypothesis of no trend is rejected if the absolute value of standardized test statistic Z is greater than ∝/ obtained from the standard normal cumulative distribution tables.

To test the statistical significance of the trends reflects the conditions listed below while in hydrological practice, to determine the statistical significance test trends levels 90% significance (80% <1.28; -1.28>; 85% <1.44; -1, 44>; 90% <1.64, -1.64> 95% <1.96, -1.96>).

A simple scaling method was adopted in order to derive relationship between the intensity, duration and frequency (the IDF characteristics) of rainfall. Let Id and Iλd denote annual maximum rainfall intensity series for the time durations d and λd, respectively. The two random variables Id and Iλd have the scaling property as (Menabde et al. 1999, p. 335-339; Yu et al. 2004, p. 11-26):

II d

dist

d λ

βλ−= , (5)

The equality of variables Id and Iλd is mean in the sense of equality of probability distributions of both variables and β represents the scaling exponent. Scaling coefficient β we determined the complete, unabridged observation period at the Oravská Lesná station, and then we use it to estimate the design values of rainfall for different frequencies and duration.

101


3 INPUT DATA For the analysis in this study, Oravská Lesná climatological station located in the northern mountainous part of Slovakia with long observation period of short-term rainfall (from 1964 to 2009), was selected, see Figure 1. The input data were collected from the database of the Slovak Hydrometeorological Institute. The input data consists of maximum rainfall intensities of the durations 5, 10, 15, 30, 40, 50, 60, 120, 180, 240 and 1440 minutes, separately for months April to October and for the whole warm season. To compare changes in trends and scaling exponents, the observation period was analysed as "complete" from 1985 to 2009 and "shortened” from 1985-2009 and 1964 to 1984, respectivelly.

Fig. 1 Location of the Oravská Lesná station in the climatological network of Slovakia.

4 RESULTS In the first step the trend analysis of the rainfall intensities of duration from 5 to 1,440 minutes from April till October, and for the whole period at the Oravská Lesná station was performed. To determine the statistical significance of the trends in the rainfall time series, the Mann-Kendall trend test (Kendall, 1975) was applied. The results proved that none of the trends detected in the time series was significant on the 90% significance level. The decreasing "+" or increasing trend "-"for all durations and analysed months for "complete" and shortened observation periods are summarised in the Table 1.

Tab. 1 Summary of rainfall intensities trends during a) 1984-1964; at the Oravská Lesná station b) 1985-2009, c) whole (1964-2009) and shortened observation period

Table 1 shows that in the climatological station for all the durations and analysed months mainly the increasing trend prevailed. Climatological station Oravská Lesná represents the northern region of Slovakia, which is characterised by decreasing rainfall trend for all observation periods in April and May. Significant decreasing trend was also observed in the months of July and October for the 1984 to 1964 observation period. Increasing trends were observed during the observation period 1964 to 1984 in August and in the

5 10 15 30 40 50 60 120 180 240 1440 5 10 15 30 40 50 60 120 180 240 1440a - - - - - - - - - - - a + + + + + + + + + + +b - - - - - - - - - - - b - - - + + + + + + + -c - - - - - - - - - - - c + + + + + + + + + + +a - - - - - - - - - - + a + + + + + + + - + + -b - - - - - - - - - - - b - + + + + + + - - - -c - - - - - - - - - - - c - - - - - - - - - - +a + + + + + + + + - - - a - - - - - - - - - - -b + + + + + + + - - - + b + + + + + + + + + + +c + + + + + + + + + + + c + + + + + + + + - + -a - - - - - - - - - - - a + + + + + + + + + + +b - - + + + + + + + + + b - + + + + + + - + - +c - - - - - - - + + + + c - - + + + + + + + + +

Warm season

Month

April

May

Jun

July

Duration [min]Month

Duration [min]

August

September

October

102


whole warm season, in the period 1985 to 2009 in October and in observation period 1964 to 2009 in April and May. Important is the increasing trend in the last 15 years is dominant in the months June, August and October. This could be a result of more intensive convective precipitation fields which are formed more frequently in this region during last years. In the next step a simple scaling methodology was used to derive scaling exponents for all the stations analysed in the months April to October and whole warm season as for "complete" and "shorter" observation periods.

Overview of the values of scaling exponents for individual months and periods of observations is summarized in the Fig. 2.

Fig. 2 Scaling exponents for individual months, and the analyzed observation

From the results of the scaling exponents presented, we can conclude that the values of scaling exponents are depending on the length of observations series. The highest values were estimated for the months May, June and August, lowest values in April and October. Differences in maximum, minimum and average values of scaling exponents are throughout each observation period very low, see statistics in the Fig. 3.

Fig. 3 Statistics of the scaling exponents for the analysed observation periods

We also observed that the impact of decreasing rainfall intensities trends throughout all rainfall duration caused increase in scaling exponents for the analysed observation periods mainly in April and May.

0,54

92

0,72

55

0,63

36

0,65

52

0,66

74

0,62

96

0,52

11

0,67

5

0,44

96

0,67

49

0,70

04

0,62

26

0,68

78

0,58

96

0,60

28

0,65

44

0,48

62

0,70

94

0,69

23

0,65

52

0,67

25

0,61

3

0,56

62 0,66

61

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

April May Jun July August September October Warmseason

Scal

ing

expo

net v

alue

Season

Scaling exponent for individual months

1964-1984 1985-2009 1964-2009

00,10,20,30,40,50,60,70,8

1964-1984 1985-2009 1964-2009

Scal

ing

expo

nent

val

ue

Observation period

Scaling exponents

Maximum

Minimum

Average

103


5 CONCLUSION The aim of this study was to test the trend and scaling exponent changes of rainfall intensities at the Oravská Lesná climatological station. The significance of trends of maximum annual rainfall intensities was tested by the non-parametric Mann-Kendall test (Kendall, 1975). At the climatological station during all the duration of each month and the observation period the trend has prevailing increasing character. Significant decreasing trend for all observation periods we observed in duration from 5 to 1,440 minutes in July and October for 1984 to 1964 observation period. Increasing trend were observed in August and whole warm season during the observation period 1964 to 1984, in October in the period 1985 to 2009 and in April and May in the period 1964 to 2009. The increasing trend in the last 15 year is dominant in the months June, August and October. This could be a result of more intensive convective precipitation fields which are formed more frequently in this region during last years. From the results of estimated values of scaling exponents we can conclude that the values of scaling exponents are depending on the length of observations periods. In general, however, it was not possible to detect a clear impact of rainfall intensities trends on the scaling exponents’ changes.

6 ACKNOWLEDGMENT This work was supported by the Agency for Research and Development under contract no. APVV 15-0497 and project VEGA 1/0710/15. This support is gratefully acknowledged.

References

[1] ADAMOWSKI, K., BOUGADIS, J. (2003). Detection of trends in annual extreme rainfall. Hydrological processes, 17, 3547-3560.

[2] BARA, M. - KOHNOVÁ, S. - GAÁL, L. - SZOLGAY, J. - HLAVČOVÁ, K. Škálovanie intenzít krátkodobých dažďov na Slovensku. 1. vyd. Ostrava: KEY Publishing, 2010. ISBN 978-80-7418-083-5. 74 s.

[3] BARA, M. - ZECHELOVÁ, K. - KOHNOVÁ, S. - GAÁL, L. - SZOLGAY, J. - HLAVČOVÁ, K. Možnosti využitia metódy škálovania zrážok na lokálny a regionálny odhad návrhových intenzít krátkodobých dažďov. In Meteorological Journal. ISSN 1335-339X, 2011, vol. 14, no. 1, p. 25-32.

[5] BERG P., MOSELEY C., and HAERTER J.O. (2013): Strong increase in convective precipitation in response to higher temperatures, Nature Geosci., doi:10.1038/ngeo1731

[6] KENDALL, M.G. (1975): Rank Correlation Methods. London: Griffin. 1975.

[7] LÁTEČKOVÁ, J. - KOHNOVÁ, S. - GAÁL, L. - SZOLGAY, J. Odvodenie škálovacích exponentov intenzít dažďov pre jednotlivé mesiace teplého polroku vo vybraných staniciach oblasti severovýchodného Slovenska. In Acta Hydrologica Slovaca. ISSN 1335-6291, 2011, roč.12, Špeciálne číslo, s. 47-54.

[8] MARIEN J. L., VANDEWIELE G. L., 1986: A point rainfall generator with internal storm structure. Water Resour. Res., 22, 4, 5231–5238.

[9] MENABDE, M., SEED, A. & PEGRAM, G. (1999). A simple scaling model for extreme rainfall. Water Resour. Res., 35(1), 335–339.

[10] RODRIGUEZ-ITURBE I., GUPTA V. K., WAYMIRE E. C., 1984: Scale considerations in the modeling of temporal rainfall. Water Resour. Res., 20, 11, 1611–1619.

[11] ROMANO E., PREZIOSI E. (2013). Precipitation pattern analysis in the Tiber River basin (central Italy) using standardized indices. Int. J. Climatol., 33, 2013, 1781–1792.

[12] SANTOS M., FRAGOSO M. (2013). Precipitation variability in Northern Portugal. Data homogenity assessment and trends in extreme precipitation indices. Atmospheric Research 131, 2013, 34-45.

104


[13] SIVAPALAN M., WOOD E. F., 1987: A multidimensional model of nonstacionarity space-time rainfall at the catchment scale. Water Resour. Res., 23, 7, 1289–1299.

[14] VAES, G., WILLLEMS, P., BERLAMONT, J. (2002). 100 years of Belgian rainfall: are there trends? Water Science and Technology, 45, 55-61.

[15] VELPURI N. M.; SENAY G. B. (2013). Analysis of long-term trends (1950-2009) in precipitation, runoff and runoff coefficient in major urban watersheds in the United States. Environ. Res. Lett. 8, 2013, 024020, 6pp.

[16] VENEZIANO D., BRAS R. L., NIEMANN J. D., 1996: Nonlinearity and self-similarity of rainfall in time and a stochastic model. Journal of Geophysical Res., 101, D21, 371–392.

[17] YUE, S. - KUNDZEWICZ, Z.W.- WANG, L. (2012): Detection of Changes. Changes in Flood risk in Europe, Chap. 2, 11-26, 2012, IAHS special publication 10.

[18] WAYMIRE E. C., GUPTA V. K., 1981: The mathematical structure of rainfall representation, 1, A review of stochastic rainfall models, 2, A review of the point processes theory, 3, Some applications of the point process theory to rainfall processes. Water Resour. Res., 17, 5, 1261–1294.

[19] WAYMIRE E. C., GUPTA V. K., RODRIGUEZ-ITURBE I., 1984: A spectral theory of rainfall

intensity at the meso-β scale. Water Resour. Res., 20, 10, 1453–1465.

105


EXPERIMENTÁLNÍ MĚŘENÍ A ANALÝZA OBJEMOVÝCH ZMĚN BETONU

EXPERIMENTAL MEASUREMENT AND ANALYSIS OF VOLUME CHANGES OF CONCRETE

Ing. Michal Kropáček

ABSTRAKT

Příspěvek popisuje experiment zabývající se měřením objemových změn se zaměřením na smršťování cementového betonu. Měření je prováděno na velkorozměrových vzorcích pomocí strunových tenzometrů osazených vnitřním i vnějším způsobem. Vzorky jsou umístěny v laboratoři a ve venkovním prostředí, bude tak možné porovnat výsledné hodnoty z různých prostředí. Naměřené výsledky budou porovnány s modelem výpočtu smršťování (model B4).

Klíčová slova: beton, objemové změny, smršťování, model B4

ABSTRACT

The paper describes an experiment concerning the measurement of volume changes with focus on shrinkage in cement concrete. Measurement is carried out on large-scale specimens using string strain gauges, both internally and externally. The specimens are located in the laboratory and in the outdoor environment, so it will be possible to compare the resulting values from different environments. The measured results will be compared with the calculation model of shrinkage (model B4).

Key words: concrete, volume changes, shrinkage, model B4

1 ÚVOD

Objemové změny cementového betonu jsou jev, který provází tuhnutí a tvrdnutí betonu od samotného počátku. Z hlediska složení běžného cementového betonu dochází v prvních hodinách a dnech k bobtnání, které po určité době převáží v postupné smršťování. Toto chování lze obecně popsat jako objemové změny. Tyto objemové změny jsou z hlediska složení spojeny s hydratací cementového pojiva, kdy dochází k chemickým reakcím. V závislosti na složení betonu, množství cementu a velikosti vodního součinitele se pak různí průběh objemových změn. Ačkoliv jsou objemové změny vlivem hydratace velmi dobře teoreticky popsány, stále není celý průběh důkladně prozkoumán. Kromě objemových změn způsobených hydratací, má vliv na objemové změny také okolní prostředí a při popisu je tak nutné umět odseparovat vlivy jednotlivých faktorů na objemové změny. Objemovým změnám způsobeným vlivem složení betonu lze předcházet správným ošetřováním. Negativní vliv smršťování betonu, v extrémním případě vedoucí až ke vzniku trhlin, lze tímto omezit. [1; 2; 3; 4; 6]

Provedený experiment si klade za cíl separovat jednotlivé vlivy způsobující objemové změny. Velkorozměrový vzorek umístěný v laboratoři bude s ohledem na zvolené složení podléhat smrštění vysycháním. Vzorek umístěný mimo laboratoř, ve venkovním prostředí, bude podléhat vnějším klimatickým vlivům. Kromě smrštění vysycháním zde bude nutné zohlednit také objemové změny způsobené změnou teplot. Ostatní druhy smršťování lze v rámci tohoto experimentu zanedbat. Zejména autogenní smršťování není nutné s ohledem na vysoký vodní součinitel zohlednit. [2]

106


2 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST

2.1 Složení betonu

Pro experiment byl navržen beton C30/37-XC4 z betonárny Českomoravský beton Ostrava – Vítkovice. Jelikož bylo záměrem elimininovat z hlediska složení co nejvíce jevů, které mohou mít vliv na objemové změny, nebyla do betonu dávkována žádná příměs a nebyl navržen provzdušněný beton. Pevnostní třída byla zvolena s ohledem na časté používání této pevnostní třídy v praxi a zároveň na vysokou dávku cementu, u které se předpokládá vysoké smrštění. Beton byl navržen v souladu s normou ČSN EN 206, kde jsou definovány požadavky pro složení tohoto betonu. Technická norma požaduje minimální množství cementu (300 kg/m3), maximální vodní součinitel (w/c = 0,5) a pevnostní třídu (25/30). Navržený beton splňuje oproti normě přísnější požadavky, protože bylo dávkováno 345 kg/m3 portlandského cementu CEM I 42,5 R, z čehož plyne vyšší pevnostní třída. Vodní součinitel byl 0,5. Do betonu byla dávkována superplastifikační přísada pro zajištění požadovaného vodního součinitele a konzistence S3. Po uložení betonu do bednění bylo ihned na počátku tuhnutí zahájeno ošetřování betonu a souběžně měření objemových změn pomocí strunových tenzometrů. Pro stanovení pevnosti v tlaku a modulu pružnosti po 7 a 28 dnech byly odebrány vzorky v četnosti 6 válců pro každou zkoušku. Stanovení pevností a modulů pružnosti je důležité pro výpočetní modely.

2.2 Vzorky, uložení betonu a ošetřování

Vzorky byly navrženy ve velikosti 150 x 500 x 6000 mm. Jeden vzorek byl uložen v laboratoři a druhý byl umístěn mimo laboratoř do venkovního prostředí, kde byl vzorek vystaven vnějším klimatickým podmínkám včetně srážek. Beton byl uložen do vyrobeného bednění z OSB desek. Dno bednění bylo překryto PE fólií, aby bylo zajištěno nulové odebírání vody od spodního povrchu (zamezení plastickému smrštění) a také nižší tření betonu, viz obr. 1.

Obr. 1 Bednění a osazení vnitřních strunových tenzometrů

Beton byl ukládán pomocí žlabu přímo z auto domíchávače a hutněn ponorným vibrátorem, viz obr. 2. Vzorky byly ihned na počátku tuhnutí betonu překryty geotextilií a ošetřovány vodou po dobu 5 dní. Po ukončení ošetřování byla odebrána geotextílie a bylo provedeno odbednění z bočních stran. Vzorek v laboratoři byl trvale uložen v prostředí s teplotou 20 ± 2 °C a relativní vlhkostí vzduchu 55 ± 5 %.

Obr. 2 Uložení betonu a osazení vnějších tenzometrů

107


2.3 Měření strunovými tenzometry

K měření objemových změn na vzorcích byly použity strunové tenzometry EDS-20V-E. Do každého vzorku byly umístěny tři tenzometry ve vzdálenosti 1,5 m od sebe, počítáno od kraje vzorku po délce. Tyto vnitřní tenzometry byly ve výšce 50 ± 10 mm od spodního povrchu vzorku. Vnitřní tenzometry byly ukotveny pomocí ocelových háků a vázacího drátu, viz obr. 1. Experimentálně byl také jeden tenzometr umístěn na povrch vzorků do poloviny délky (3 m). Povrchové tenzometry byly ukotveny pomocí ocelových U profilů, které se svisle umístily do tuhnoucího betonu do hloubky cca 20 mm. Do 10 mm dlouhého vyčnívajícího konce nad povrch byly umístěny tenzometry. Tento spoj byl zpevněn pomocí betonu tzv. na hrobeček, viz obr. 2. Odečty hodnot se prováděly pomocí ústředny Gage GT1174-3 minimálně jednou každý den od zabetonování.

3 VYHODNOCENÍ HODNOT A VÝSLEDKŮ

Experiment byl vyhodnocen po 3 měsících. Měření objemových změn pomocí strunových tenzometrů je znázorněno na grafu na obr. 3. Naměřené hodnoty jsou již po přepočítané korekci na teplotu u tenzometru, jelikož vlivem hydratace dochází i v laboratoři k prudkým změnám teplot a tyto změny v roztažnosti betonu a strunového tenzometru je nutné výpočtově zohlednit. U vzorku mimo laboratoř je toto nutné zohlednit i u změn klimatických teplot. S ohledem na stálé podmínky okolního prostředí v laboratoři bude okomentován nejdříve vzorek umístěný v laboratoři. Z grafu lze vypozorovat, že vzorek vlivem vyšší teploty způsobené hydratací cementu a přísunem vody z ošetřování začal ihned na počátku tuhnutí bobtnat. Bobtnání je způsobeno také vznikem nových hydratačních minerálů jako je C3A a C2S, ale jev je u betonu minimální a ve srovnání s ostatními vlivy netvoří dominantní část bobtnání [5]. Dále lze pozorovat, že bobtnání je na povrchu, kde docházelo k přímému kontaktu se studenou vodou (obecně nižší teplotou prostředí) nižší. Po 5 dnech, kdy bylo ukončeno ošetřování vodou, se začal vzorek smršťovat vysycháním. Opět lze pozorovat trend, kdy smršťování vysycháním je na povrchu dynamičtější a v pozdějších fázích je naopak pomalejší a má nižší hodnoty než objemové změny uvnitř vzorku.

Obr. 3 Srovnání objemových změn vzorků

108


Pro vzorek vystavený klimatickým podmínkám platí rozbor ve výše uvedeném odstavci, nicméně se přidávají další významné vlivy, proměnná teplota a relativní vlhkost vzduchu. U tohoto vzorku lze konstatovat, že v celkovém součtu všech vlivů včetně počátečního bobtnání nepřekročily hodnoty objemových změn nulu a tedy křivky nejsou v oblasti záporných hodnot, které popisuje smrštění vzorku, tak jak je patrné u vzorku umístěného v laboratoři. Ke smršťování vysycháním nepochybně dochází (což bude objasněno na obr. 4), nicméně tento jev je popřen dalšími vlivy jako roztažnost betonu a absorpce vody. S jistotou lze konstatovat, že hodnoty konečného smrštění budou vždy nižší než u laboratorního vzorku, jelikož dochází k přísunu vody vlivem srážek a absorpci vzdušné vlhkosti.

V grafu na obr. 4 je provedeno srovnání konečného smrštění po 3 měsících na velkorozměrových vzorcích a graf je dále doplněn o křivky vykreslené dle výpočetního modelu B4. Model B4 je z hlediska výpočtu aktuálně nejpropracovanější model na výpočet smrštění. Zohledňuje nejvíce parametrů a okrajových podmínek a do výpočtu je tak možné zapracovat co nejvíce proměnných. Z těchto důvodů byl model B4 zvolen jako výchozí pro porovnávání, nicméně autor do budoucna uvažuje zohlednění více modelů (Eurocode, Model Code aj.). [7]

Aby bylo možné porovnávat hodnoty smrštění vzorku s výpočetním modelem, který neuvažuje bobtnání vlivem hydratace a v době ošetřování, bylo nutné přepočítat objemové změny měřených vzorků a omezit je pouze na smrštění. Vzorky se začaly smršťovat po ukončení ošetřování, což bylo po 5 dnech. Nejvyšší hodnota bobtnání byla pro výpočet definovaná nula a od této hodnoty se začalo počítat smrštění. Proto jsou hodnoty smrštění vyšší než na obr. 3.

Obr. 4 Srovnání smrštění vzorků a výpočetního modelu

Z obr. 4 je patrné, že vypočtený průběh smrštění dle modelu B4 je ve srovnání laboratorní a venkovní prostředí téměř shodný. Ve srovnání s reálnými výsledky laboratorního vzorku je ale značně podhodnocený. Průběh smrštění není tak dynamický a konečné hodnoty smrštění jsou nižší. Ve srovnání se vzorkem, který byl uložený v reálném prostředí, jsou hodnoty konečného smrštění výpočetního modelu vyšší. Křivce výpočetního modelu se v pozdější fázi nejvíce blíží žlutá křivka popisující vzorek ve venkovním prostředí s tenzometry umístěnými uvnitř betonu. Výkyvy ve smrštění

109


u vzorku uloženém ve venkovním prostředí jsou způsobené změnami teplot, vlivem srážek a proměnlivou relativní vlhkostí vzduchu.

4 ZÁVĚR

Příspěvek popisuje měření objemových změn cementového betonu na velkorozměrových vzorcích. Jelikož se jedná o vstupní “nultý” experiment, bylo účelem především sjednocení metodik a postupů. Výzkum bude dále pokračovat měřením jiných receptur betonu případně simulací jiných vlivů objemových změn. Autor dále pokračuje v měření vzorků.

Experimentem byly potvrzeny známé jevy objemových změn u cementového betonu, nicméně autor se také domnívá, že u velkorozměrových vzorků má ve velikosti smrštění význam také podloží a vlastní tíha vzorku. Vlastní tíha vzorku způsobuje přitěžování spodní plochy a tím zvyšuje tření v závislosti na materiálu podkladu. Tomuto jevu bude dále věnována pozornost a bude se jednat o jedno z dalších směřování výzkumu.

5 PODĚKOVÁNÍ

Práce byly podporovány z prostředků Studentské grantové soutěže VŠB-TUO. Registrační číslo projektu je SP2017/181.


[1] AÏTCIN, Pierre-Claude. Binders for durable and sustainable concrete. New York: Taylor & Francis, 2008. ISBN 978–0–203–94048–8.

[2] AÏTCIN, Pierre-Claude a Sidney. MINDESS. Sustainability of concrete. New York: Spon Press, 2011. Modern concrete technology, 17. ISBN 978-0-203-85663-5.

[3] BAŽANT, Zdeněk. RILEM draft recommendation: TC-242-MDC multi-decade creep and shrinkage of concrete. Materials and Structures. 2015, 48(4), 753-770. DOI: 10.1617/s11527-014-0485-2. ISSN 1359-5997. Dostupné také z: http://link.springer.com/10.1617/s11527-014-0485-2

[4] ED. BY A. BENTUR. Early age cracking in cementitious systems: report of RILEM Technical Committee 181-EAS 'Early Age Shrinkage Induced Stresses and Cracking in Cementitious Systems'. Bagneux: RILEM Publ, 2003. ISBN 2912143330.

[5] KROPÁČEK, Michal a Jiří ŠAFRATA. Objemové změny cementů z různých lokalit v závislosti na čase. Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské - Technické univerzity Ostrava. Řada stavební. 2015, 15(1), 11-20. ISSN 1213-1962.

[6] HAVLÁSEK, Petr. Creep and Shrinkage of Concrete Subjected to Variable Environmental Conditions. Praha, 2014. Doctoral thesis. Czech technical university in Prague. Vedoucí práce Milan Jirásek.

[7] VINKLER, Marek a Jan L. VÍTEK. Drying shrinkage of concrete elements: Structural Concrete. Structural Concrete. 2017, 18(1), 92-103. DOI: 10.1002/suco.201500208. ISSN 14644177. Dostupné také z: http://doi.wiley.com/10.1002/suco.201500208

110

http://link.springer.com/10.1617/s11527

http://doi.wiley.com/10.1002/suco.201500


SPECTRAL CHARACTERISTICS OF DIFFERENT BUILDING MATERIALS BY THE EYES OF LASER SCANNING

Ing. Eva Kučerová, Ing. Jan Novotný, Ph.D.

ABSTRACT

During the last few years, terrestrial laser scanning has become a standard method of data acquisition in close range domain. Full-waveform terrestrial laser scanning is a recent technology which is able to digitize and record the complete waveform of the backscattered echo. It gives additional information about the structure and physical backscattering properties of the illuminated surface (reflectance and geometry). In this paper, the influence of different materials on the reflectivity was studied. The factors influencing material reflectivity were: laser wavelength, surface material type, surface colour and wetness. The measurements were focused on the materials used at buildings facades (wood, concrete and plaster). The measurements were performed by full-waveform terrestrial laser scanner (FW - TLS) VZ-400 and spectrometer ASD FieldSpec 4. The aim of this work was to find out what the differences in reflectance spectrum of used material were and whether the materials could be distinguished by their reflectance at 1550 nm (the laser wavelength of VZ-400).

Key words: Material reflectivity, spectrometer, full-waveform terrestrial laser scanner, amplitude, wetness

1 INTRODUCTION

Full-waveform terrestrial laser systems (FW - TLS) capture and digitize the full structure of the waveform of the reflected laser pulse providing more measures of change than only range. The measurements are influenced by many factors, p. e. distance, incidence angles or material reflectivity.

Carrea et al. described [1] that the material reflectivity might be defined as the ratio between the power of the reflected and incident signals. The material reflectivity varied from zero for a completely absorbing surface to one for a completely reflecting surface. The factors influencing material reflectivity were as follows: laser wavelength, surface material type, surface colour, surface temperature and moisture.

The influence of the materials commonly used at building facades and the influence of range and incidence angle on measurements of a full-waveform terrestrial laser scanner VZ-400 was described in [2].

The aim of this article is to verify whether the full-waveform terrestrial laser scanner VZ-400 could be used for the classification of the different realistic object materials (wood, concrete and plaster). The determination of reflectance spectrum differences of the materials including the wetness influence was proved by spectrometer. The attention was focused on the reflectance of the wavelength 1550 nm (the VZ-400 laser wavelength). The reflectance results of the spectrometer were compared to the amplitude results of the full-waveform terrestrial laser scanner VZ-400.

2 FULL–WAVEFORM TERRESTRIAL LASER SCANNER AND SPECTROMETER

The full-waveform terrestrial laser scanner VZ-400 manufactured by Riegl was used for the experiments. The VZ-400 relies on the principle of pulsed time of flight measurement and applies

111


echo digitization and online waveform processing. The VZ-400 works in laser wavelength 1550 nm (near-infrared) [3].

The resulting data for a single measurement point are the coordinates X, Y, Z, the amplitude, the reflectance and the deviation [3]. The values of the amplitude were used to describe the results of the experiments. The VZ-400 provides a calibrated amplitude value scaled in decibels (dB). The calibrated amplitude is a signal strength property of the received optical target echo signal. It is defined as the ratio of the actual detected optical amplitude versus the detection threshold.

Spectrometer FieldSpec 4 Hi-Res manufactured by ASD Inc. provides uniform data collection across the entire solar irradiance spectrum, in visible (VIS), near-infrared (NIR) and short-wavelength infrared (SWIR) region (350 – 2500 nm) [4]. The reflectance varies from zero for a completely absorbing surface to one for a completely reflecting surface.

3 ANALYSIS OF MATERIALS

The measurements were performed in two phases. In the first phase, all samples were measured by laser scanner VZ-400 and in the second phase by spectrometer FieldSpec 4 Hi-Res.

The full-waveform terrestrial laser scanner VZ-400 was mounted on a tripod at a distance of 5 m from the realistic object materials (concrete and plasters) placed on a table (See Figure 1). The wooden samples were hung on the wall at a distance from 1,5 m up to 2 m with an inclination angle from 30° to 38° (This configuration was due to the cramped conditions of the hall where the wooden samples were hung.). The mean amplitude and the standard deviation were computed for each sample and then compared to each other.

Spectrometer FieldSpec 4 Hi-Res equipped with a Contact Probe [5] was used for a contact measurement of a spectral response of the samples (See Figure 2). A calibrated white reference panel was used [6]. A surface reflectance curve was obtained in 1 nm resolution.

The average of five spectral bands from 1548 nm to 1552 nm was used for a comparison with the amplitude value from the full-waveform terrestrial laser scanner VZ-400.

Fig. 1 Principle of the test configuration

Fig. 2 Measuring by spectrometer

112


3.1 Analysis of plaster materials, gauze and concrete cube

Four samples were measured: Sisi Comfort (white plaster, manufactured by Cemix), M – Cemix (dark plaster, manufactured by Cemix), gauze and concrete cube (See Figure 3).

Fig. 3 Measured samples: a) Sisi Comfort, b) M – Cemix, c) gauze and d) concrete cube

The spectral responses of these materials are shown in Figure 4. The highest reflectance in the wavelength 1550 nm was recorded for gauze (68%) and plaster SISI Comfort (57%) and the lowest reflectance was detected for concrete cube (38%) and plaster M – Cemix (24%). The standard deviation of the reflectance was calculated less than 0,3%.

Fig. 4 Spectral responses of plaster materials, gauze and concrete cube

The value of the mean amplitude of M – Cemix was the lowest – 29,5 dB (See Figure 5). It was caused by its dark colour which absorbed more radiation. The standard deviation of amplitude for these samples varied from 0,40 dB for plaster SISI Comfort to 1,04 dB for M – Cemix.

Fig. 5 Reflectance and mean amplitude values for plasters, gauze and concrete cube

0%

20%

40%

60%

80%

100%

SISI Comfort M – Cemix Gauze Concrete cube

SISI Comfort

M – Cemix

Gauze

Concrete cube

0

10

20

30

40

50

60

70

80

25

27

29

31

33

35

37

39

Ref

lect

ance

Am

plitu

de

Amplitude [dB] Reflectance [%]

113


The spectrometer FieldSpec 4 Hi-Res results corresponded with the full-waveform terrestrial laser scanner VZ-400 results (See Figure 5). These materials could be distinguished by their reflectivity and amplitude at 1550 nm.

3.2 Analysis of different species of wood

At the test board different species of wood were studied: cherry, juniper, maple, birch, ash, steamed beech, oak, hornbeam, acacia, larch, linden, fir, spruce, pine, plywood, hardboard, block board, dark plywood and soft board (See Figure 6). All the wood surfaces were unfinished except the dark plywood that was painted.

Fig. 6 Different species of wood

All kinds of the woods except the dark plywood were characterised by the similar form of spectral response (See Figure 7). Several samples were omitted from the visualisation for a better arrangement as their curve goes along with the other ones. The dark plywood reflectance variance was lower than the reflectance variance of the other wood samples. The dark plywood differed from the others because its surface was covered by black paint.

Fig. 7 Spectral responses of several samples of woods

In Figure 8, the reflectance is presented for all kinds of wood for the wavelength 1550 nm. The mean reflectance varied from 10% for dark plywood to 74% for soft board. The median reflectance was 59% for maple. The wooden samples could be distinguished by reflectance. The standard deviation of reflectance was insignificant.

0%20%40%60%80%

100%

Softboard Dark plywood Oak Larch Linden Pine Cherry

114


Fig. 8 Reflectance and amplitude values for different species of wood in the wavelength 1550 nm

Comparing the differences of the mean amplitudes, the species could not be distinguished by analysing the amplitude values (See Figure 8). The mean amplitude values lied in the same domain and varied from 33,9 dB for steamed beech to 35,9 dB for pine. Only dark plywood was left out (Its low amplitude value was set as 24,3 dB.). The standard deviation of amplitude varied from 0,37 dB for block board to 0,82 dB for spruce and achieved the differences amplitude values between particular wooden samples.

3.3 Analysis of the influence of wetness

A concrete cube was used to demonstrate and prove the influence of wetness on reflectance and amplitude. The measurements were carried out in the original state (t0), state immediately after wetting (t1) and states of drying out – 10 minutes after wetting (t2), 20 minutes after wetting (t3) and 30 minutes after wetting (t4). The wetness for the concrete cube influenced the reflectance in the whole spectrum. In Figure 10, the spectral curves show particular states. In the wet state the spectral curve decreased to the lower reflectance level and the depression in SWIR got bigger. During drying out the spectral curve increased to higher reflectance level and the depression in SWIR was reduced. It demonstrated the fact that the water behaved like nearly an absolutely black body in SWIR.

01020304050607080

222426283032343638

Reflectance [%]Amplitude [dB]

Amplitude [dB] Reflectance [%]

115


Fig. 9 Spectral responses of concrete

Table 1 shows the influences of wetness for the concrete cube in the 1550 nm wavelength. The reflectance and amplitude both decreased with the wetness and contrarily increased while drying. After 20 minutes of drying, the concrete cube was almost at the same state as before the wetness.

Concrete t0 t1 t2 t3

Reflectance 38% 18% 33% 37%

Amplitude 35,8 dB 33,4 dB 33,8 dB 34,1 dB

MSE of amplitude 0,68 dB 1,02 dB 0,70 dB 0,79 dB

Tab. 1 The amplitude and reflectance of concrete cube in the wavelength 1550 nm

4 CONCLUSION

In this paper two types of data were presented, the reflectance measured by spectrometer FieldSpec 4 Hi-Res and the amplitude measured by the full–waveform terrestrial laser scanner VZ – 400. The attention was focused on the reflectance of the wavelength 1550 nm.

The spectral responses and amplitudes were measured for the different realistic object materials (wood, concrete and plaster). The plasters and concrete cube could be well differentiated by the reflectance and amplitude in the wavelength 1550 nm. All kinds of woods had almost the same form of reflectance spectrum except the dark plywood whose surface was covered with black paint. The wooden samples could be distinguished by reflectance in the wavelength 1550 nm. On the contrary these samples would be hard to classify using the measured amplitude.

The results of the influence of wetness showed that the spectral responses differed in the course of getting wet and getting dry. The reflectance confirmed that the water behaved as nearly an absolute black body in SWIR.

The spectrometer FieldSpec 4 Hi-Res results confirmed that the samples could be distinguished in the wavelength 1550 nm. The full-waveform terrestrial laser scanner VZ-400 results showed how complicated it is to describe the changes of amplitude value for the used materials and finding out the special features of materials only by the assessment of this quantity in the wavelength 1550 nm without any additional information.

Acknowledgment

We would like to thank doc. Ing. Vlastimil Hanzl, CSc. for his cooperation on the experiments.

0%20%40%60%80%

100%

t0 t1 t2 t3 t4

116


Literature

1 Carrea, D., Abellan, A., Humair, F., Matasci, B., Derron, M.-H., Jaboyedoff, M., 2016. Correction of terrestrial LiDAR intensity channel using Oren–Nayar reflectance model: An application to lithological differentiation. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 113, pp. 17-29.

2 KUČEROVÁ, Eva. Influences of range and incidence angle on measurements of a full - waveform terrestrial laser scanner VZ - 400. Czech Journal of Civil Engineering VĚDECKÝ ČASOPIS OBORU STAVEBNICTVÍ [online]. 2017, 2017(1), 78-83 [cit. 2017-11-10]. ISSN 2336 - 7148. Dostupné z: http://www.scientificjournals.eu/magazine/2017/CJCE_2017_01.pdf

3 Instruction manual of VZ – 400.

4 ASD Inc., a PANalytical Company: FieldSpec 4 Hi-Res: High Resolution Spectroradiometer [online]. [cit. 2017-11-10]. Accessible from: https://www.asdi.com/products-and-services/fieldspec-spectroradiometers/fieldspec-4-hi-res

5 ASD Inc., a PANalytical Company: Contact Probe [online]. [cit. 2017-11-10]. Accessible from: https://www.asdi.com/products-and-services/accessories/contact-probe

6 ASD Inc., a PANalytical Company: Reference Panels [online]. [cit. 2017-11-10]. Accessible from: https://www.asdi.com/products-and-services/accessories/reference-panels

117

http://www.scientificjournals.eu/magazine/2017/CJCE_2017_01.pdf

https://www.asdi.com/products




VLIV PŘÍČNÉHO ROZMĚRU PŘÍTOKOVÉ ŠACHTY NA PŘEPAD PŘES PŘELIV SE ŠIROKOU KORUNOU

INFLUENCE OF THE TRANSVERSE DIMENSION OF THE INLET SHAFT ON OVERFLOW OF BROAD-CRESTED WEIR

Ing. Jakub Major

ABSTRAKT

Ve vodohospodářské praxi se často využívají přelivy se širokou korunou, u kterých není použito přítokové koryto, ale přítoková šachta. V případě přítokové šachty není známý vliv rychlostní výšky na kapacitu přelivu, zvláště pak při různých výškách příčného profilu šachty. Dále pak není známý průběh hladiny nad šachtou a korunou přelivu a jeho relativní vyjádření. Článek popisuje experiment se svislou přítokovou šachtou, na základě kterého byl průběh hladiny nad šachtou a korunou přelivu v relativním vyjádření stanoven.

Klíčová slova: Přeliv se širokou korunou, přítoková šachta, úroveň hladiny.

ABSTRACT

In the water management practice are often used broad-crested weirs, which the inlet flume is not used, but is used the inlet shaft. In the case of the inlet shaft, the effect of the velocity head on the overflow capacity is not known, especially at different heights of the cross section of the shaft. Furthermore, there is no known shape of the water level over shaft and over crest of weir and its relative expression. This paper describes the experiment with a vertical inlet shaft, based of which the shape of the water level above the shaft and the crest of weir was determined.

Key words: Broad-crested weir, inlet shaft, water surface level.

1 ÚVOD

Normami, jako jsou ČSN ISO 3846 [1] a ČSN ISO 4374 [2], je definovaný přítok vody na přelivy se širokou korunou přibližně vodorovným přítokovým korytem. Přelivy je však nutné použít i v případech s přítokovou šachtou (laboratoře, některé objekty stokových sítí, čistírny odpadních vody, průmysl, převody vody atd.). Uvedený případ však zatím v odborné literatuře nebyl publikován [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10].

V případě přítokového koryta před přelivem se širokou korunou vzniká návodní a korunový úplav, které přímo ovlivňují charakter přepadu. V případě přítokové šachty (Obr. 1) se návodní úplav nevytvoří a lze očekávat, že geometrie korunového úplavu bude mít jiný tvar. Rovněž jiný tvar bude mít i průběh hladiny v přítokové šachtě a na koruně přelivu. Výzkum se tedy zabýval vlivem výšky příčného průřezu (délky) přítokové šachty na průběh hladiny v šachtě a na koruně přelivu při přepadu přes přeliv se širokou korunou bez bočního zúžení.

2 EXPERIMENT

Experiment byl proveden v Laboratoři vodohospodářského výzkumu Ústavu vodních staveb Fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně. Přeliv se širokou korunou byl zhotoven

118


z polymethylmetakrylátu o tloušťce 0,01 m. Délka přelivu byla t = 0,650 m, šířka přelivu byla b = 0,500 m. Přítoková šachta byla vyrobena z vodovzdorné překližky o tloušťce stěny 0,021 m, o vnitřní šířce b = 0,500 m, o výšce 4,9 m a délce 0,500 m (Obr. 1). Uvnitř šachty byla připevněna vnitřní posuvná stěna zhotovená z polyvinylchloridu o tloušťce 0,01 m, o šířce b = 0,50 m a o výšce 4 m, která umožňovala měnit průtočnou délku šachty l. Ve spodní části byla posuvná stěna zalomena pod úhlem 30° pro minimalizaci narušení proudu vody v šachtě.

Přítoková šachta byla napojena na cirkulační okruh proudění vody. Voda byla čerpána ze zásobní nádrže ponornými čerpadly s nastavitelným průtokem řízeným měničem frekvence otáček motoru čerpadla. Voda byla přiváděna do spodní části šachty potrubím kruhového profilu. Mezi přívodním potrubím a vnitřní posuvnou stěnou bylo umístěno kovové síto za účelem dosažení rovnoměrného proudění s vyvinutým rychlostním profilem v šachtě. Odtok vody byl řešen jako přepad do volna přes odtokovou šachtu zpět do zásobní nádrže. Přepad byl při všech měřených stavech dokonalý. Proud při přepadu do odpadní šachty byl zavzdušněn.

Úroveň hladiny byla měřena pomocí digitálního hrotového měřidla s dělením 0,0001 m (přesnost měření však byla dána především pulzací úrovně hladiny) upevněného na bočních stěnách přelivu a šachty. Měření průtoku Q bylo pomocí indukčního průtokoměru s nejistotou stanovení ±0,2%.

Obr. 1 Schéma proudění v případě přítokové šachty

3 MĚŘENÍ

Měřeny byly ustálené stavy proudění při osmi přepadových výškách v rozmezí od h = 0,038 m do h = 0,270 m pro jednotlivé délky šachty l, z čehož dvě přepadové výšky byly pro h < 0,060 m z důvodu postihnutí oblasti s vlivem povrchového napětí a tření. Délky šachty byly l = 0,100 m; 0,200 m; 0,300 m; 0,400 m a 0,500 m.

Měření průběhu hladin bylo provedeno pomocí digitálního hrotového měřidla v podélné rovině symetrie přelivu v celé délce přítokové šachty a koruny přelivu. Vzhledem k pulzaci úrovně hladiny (zvláště pak při velkých hodnotách rychlostní výšky) byly hodnoty pro vyhodnocení změřeny jako časově střední. Byl zaveden souřadný systém s kladnou osou x ve směru proudu s počátkem souřadného systému v místě styku návodního líce přelivu a koruny přelivu (Obr. 1). V místě protější stěny od čela přelivu bylo z důvodu vyšší přesnosti měřeno ve vzdálenostech 0,010 m, 0,020 m, 0,030 m a 0,050 m od této stěny. Dále bylo měřeno po 0,050 m do x = 0,200 m a následně po 0,100 m

korunový úplav

přítoková šachta

směr proudění

h

l

horizont mech. energie čára mech. energie

H přeliv

vs

4,0

odpadní šachta 0,650

počátek souřadného systému

+x -x +z

119


do x = 0,600 m. Poslední zaměřený bod byl ve vzdálenosti x = 0,650 m, tedy v profilu povodní hrany přelivu. Po změření všech stavů pro příslušnou délku l byla vnitřní stěna posunuta ve směru x souřadného systému na následující délku l.

4 VYHODNOCENÍ

Vyhodnocení naměřených dat bylo provedeno pomocí programu MS Excel. Pro stanovení vztažné výšky h byla použita hodnota úrovně hladiny ve vzdálenosti 0,050 m od protější stěny čela přelivu. Úroveň hladiny zde nebyla ovlivněna kapilárním výstupem na stěně a při většině průtokových stavů byla v místě úplavu, tedy byla relativně málo ovlivněna rychlostní výškou. Z naměřených hodnot úrovní hladiny v měřených vzdálenostech byly vypočítány poměry x/h a z/h. Na Obr. 2 a Obr. 3 jsou zobrazeny průběhy hladin pro nejmenší délku přítokové šachty l = 0,1 m a pro její největší délku l = 0,5 m při jednotlivých vztažných výškách. Změřeny byly i průběhy s hodnotami h < 0,060 m pro popsání oblasti s ovlivněním povrchového napětí a viskozity [1]. Tyto průběhy jsou zobrazeny na Obr. 2 kružnicemi.

Obr. 2 Průběh hladin při jednotlivých vztažných výškách pro l = 0,1 m

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

-0,10 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70

z [m]

x [m]

h = 0,273 mh = 0,231 mh = 0,191 mh = 0,164 mh = 0,105 mh = 0,078 mh = 0,052 mh = 0,038 m

120


Obr. 3 Průběh hladin při jednotlivých vztažných výškách pro l = 0,5 m

Z Obr. 2 je viditelné, že při vztažných výškách h > 0,105 m dochází ke zvýšení úrovně hladiny v místě nad návodní hranou koruny přelivu oproti místu styku hladiny a protější stěny od čela přelivu. U vztažné výšky h = 0,105 m je změna úrovně přibližně 0,004 m a u h = 0,273 m je to až 0,047 m. Oproti tomu, v případě pro l = 0,5 m nedochází ke zvýšení úrovně hladiny ani při vyšších vztažných výškách. V případě pro l = 0,1 m je to tedy způsobeno vzrůstající hodnotou rychlostní výšky.

Na Obr. 4 a Obr. 5 jsou zobrazeny průběhy relativní úrovně hladiny z/h v závislosti na relativní délce x/h pro jednotlivé délky šachty l. Z důvodu vyhodnocení vlivu poměru h/l na průběh hladiny, byly hodnoty rozděleny do dvou intervalů podle relativní délky šachty h/l. První interval je 0 < h/l < 0,4 (Obr. 4), kde nedochází k ovlivnění přepadu, a druhý interval je 0,4 < h/l < 2,73 (Obr. 5), kde je přepad ovlivněný. V Obr. 4 a Obr. 5 nejsou znázorněny hodnoty pro h < 0,060 m. Hodnoty znázorněné kruhy vyjadřují hodnoty pro délku šachty l = 0,100 m, hodnoty znázorněné trojúhelníky vyjadřují l = 0,200 m, hodnoty znázorněné hvězdami vyjadřují l = 0,300 m, hodnoty znázorněné čárkami vyjadřují l = 0,400 m a hodnoty znázorněné čtverci l = 0,500 m.

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

-0,50 -0,30 -0,10 0,10 0,30 0,50 0,70

z [m]

x [m]

h = 0,268 mh = 0,234 mh = 0,192 mh = 0,145 mh = 0,100 mh = 0,077 mh = 0,053 mh = 0,038 m

121


Obr. 4 Relativní úroveň hladiny z/h v závislosti na relativní délce x/h pro 0 < h/l < 0,4

Obr. 5 Relativní úroveň hladiny z/h v závislosti na relativní délce x/h pro 0,4 < h/l < 2,73

Do Obr. 4 a 5 byly pro porovnání vloženy výsledky autorů Zachoval a kol. [9], kteří uvádí vztah pro popsání tvaru hladiny při přepadu přes přeliv se širokou korunou s čelním nátokem α = tanh − , (1)

kde

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

z/h [-]

x/h [-]

h/l = 0,190h/l = 0,154h/l = 0,256h/l = 0,253h/l = 0,201h/l = 0,290h/l = 0,383h/l = 0,327h/l = 0,359h/l = 0,383Zachoval et. al. 2012

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

z/h [-]

x/h [-]

h/l = 0,468 h/l = 0,474h/l = 0,488 h/l = 0,497h/l = 0,537 h/l = 0,587h/l = 0,605 h/l = 0,663h/l = 0,742 h/l = 0,746h/l = 0,778 h/l = 0,842h/l = 0,925 h/l = 1,054h/l = 1,156 h/l = 1,343h/l = 1,643 h/l = 1,910h/l = 2,312 h/l = 2,729Zachoval et. al. 2012

122


= 0,5 1 − α + . (2)

Podle měření autorů je Zhu = hu/h = 0,47 a koeficient XJ = 0,67 (pro nejvyšší poměry h/P jsou hodnoty Zhu a XJ menší o 0,01, u nejnižších poměrů jsou hodnoty větší o 0,01). Koeficient cJ = 1,20. Rozsah platnosti rovnic je od profilu se začátkem zakřivení hladiny až do profilu s přibližně paralelním prouděním, tj. −2,0 < x/h < 2,7 [9]. V rovnicích značí α součinitel kinetické energie, v1 přítokovou rychlost, g tíhové zrychlení, H energetickou přepadovou výšku, Zh relativní úroveň hladiny, X relativní vzdálenost. Dolní index u specifikuje profil v X = 2,7, J specifikuje inflexní bod v průběhu úrovně hladiny. Vzhledem k požadavku na určení průběhu hladiny neovlivněného přítokovou šachtou v Obr. 4 a Obr. 5 byla v rovnicích (1) a (2) rychlostní výška zanedbána.

Z uvedených výsledků na Obr. 4 je zřejmé, že naměřené výsledky se shodují s křivkou uváděnou autory Zachoval a kol. pro interval 0,19 ≤ h/l ≤ 0,38 (Obr. 4), což lze považovat za oblast bez ovlivnění průběhu hladiny. Pro 0,47 ≤ h/l ≤ 2,73 se naměřené hodnoty liší (Obr. 5). Odlišnost se zvětšuje se zvětšujícím se poměrem h/l. Z toho tedy vyplývá, že při poměru h/l > 0,4 dochází k ovlivnění hladiny.

5 ZÁVĚR

Na základě měření a pozorování byly zjištěny základní informace o průběhu hladin. U menších hodnot délky šachty oproti vztažné výšce dochází k výraznější změně úrovně hladiny vlivem větší rychlostní výšky.

Bylo zjištěno, že při h/l ≤ 0,4 nedochází k ovlivnění průběhu hladiny při přepadu přes přeliv se širokou korunou s přítokovou šachtou.

Na stávající měření bude navázáno a bude provedeno stanovení součinitele přepadu a součinitele vlivu délky přítokové šachty.

Poděkování

Příspěvek vznikl za podpory juniorského projektu specifického výzkumu FAST-J-17-4577 Vliv geometrie přítokové šachty na kapacitu přelivu se širokou korunou a projektu specifického výzkumu FAST-S-16-3757 Zvýšení bezpečnosti a spolehlivosti vybraných hydrotechnických konstrukcí.


[1] ČSN ISO 3846 (25 9332), 2012. Hydrometrie – Měření průtoku v otevřených korytech pomocí přelivů pravoúhlého průřezu se širokou korunou. Praha, ČR. ÚNMZ.

[2] ČSN ISO 4374, Měření průtoku kapalin v otevřených korytech - Měřené přelivy se širokou korunou a zaoblenou vstupní hranou. Praha, ČR. ÚNMZ.

[3] BEREZINSKIJ, A. R. Carrying capacity of the broad-crested weir. Moskva: VODGEO. Strojizdat, 1950. 186 p.

[4] BOS, M. G., 1989. Discharge measurement structures. Third revised edition. Wageningen, The Netherlands: International Institute for Land Reclamation and Improvement/ILRI, ISBN: 90 70754 15 0.

[5] HAGER, W. H. a SCHWALT, M., 1994. Broad-crested weir. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 120(1), 13-26.

[6] HORTON, R. E., 1907. Weir experiments, coefficients, and formulas. Revision of paper no. 150. Washington, USA: Department of the Interior United States Geological Survey.

123


[7] KNÉBLOVÁ, M., 2013. Analýza vlivu relativní výšky pravoúhlého přelivu se širokou korunou na součinitel průtoku. Brno. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodních staveb.

[8] SREETHARAN, P. M., 1988. Discharge characteristics of rectangular profiled weirs. Hydraulic Engineering 1988, 969-978.

[9] ZACHOVAL, Z., KNÉBLOVÁ, M., ROUŠAR, L., RUMANN, J. a ŠULC, J., 2014. Discharge coefficient of a rectangular sharp-edged broad-crested weir. Journal of Hydrology and Hydromechanics, 62(2), 145-149.

[10] ZACHOVAL, Z., MISTROVÁ, I., ROUŠAR, l., ŠULC, J., ZUBÍK, P., 2012. Zone of flow separation at the upstream edge of a rectangular broad-crested weir. Journal Hydrology and Hydromechanics, 60(4), 288–298.

124


WIND AND SOLAR ENERGY AS A PART OF THE DESIGN OF CONSTRUCTION EQUIPMENT

Ing. Minh Nguyen Tien, Ing. Miroslav Ščepka

ABSTRACT

Construction site equipment is still part of the construction of all civil structures. The trend in the reduction intensity of buildings. This principle of reducing intensity is also applicable in the actual construction of the construction site equipment. During the construction is the possibility of using alternative sources in the design of construction equipment, which may contribute to the overall efficiency of construction. While the construction site is an integral part of construction and an important role in overall efficiency in terms of realization time, cost, performance of workers and use of deployment mechanisms. Alternative sources are a cost- efficient means of contributing to sustainable development value. And provides added value for the possibility of successful allocation BREEAM.

Key words: Solar energy, Renewable energy, Wind energy, Construction site

1 INTRODUCTION

We are depended on energy in all sector of human aktivity such as: housing, industry, transport and agriculture. So implementation of alternative sources into operation proves that we can cooperate with nature. And by reducing CO2 production, essential consumer safety it provides for construction workers - (improving productivity) and last but not least opportunity to get a BREEAM (Building Research Establishment's Environmental Assessment Method) certificate.

Currently humanity solves one of the main challenges, namely to ensure the sufficient supply for maintaining continuous development of society without negatively affecting the creation and protection of the environment. In construction, still require stricter conditions for the energy efficiency in buildings, not only in their design, but also from the beginning of the construction of buildings [1]. Wind energy has its origin in the solar energy. The surface of the Earth, on the solar radiation turn out to, is unevenly heated. As a result, there is a temperature difference of the ambient air, which form the conditioning factors of the differential pressures. Warmer air heated from the earth's surface rises up and cooler air is pushed to the surface. This results in motion - the air mass flow from the higher pressure area to a lower pressure area that forms the subject of wind. These two systems are complementary [4].

Solar energy falling on the earth's surface is the richest available source of energy. In view of its huge potential in the natural state and its quality properties is also from an economic side an alternative inexhaustible energy source [3].

1.1 Data for the solution

The paper presents an application of selected renewable energy sources in the construction site during the implementation of the multifunctional residential building. Residential building is located in Bratislava - Ružinov. The multifunctional building has 11 floors and one underground. In the project

125


is designed also an outdoor parking, which is located on the south side. This place will be used during construction for location of construction equipment. The planned location of renewable sources such as wind and collector systems are contemplated the area over cabins. Assumed of the construction period is 15 months. Renewable energy for the construction site equipment are designed to cover the need electricity for the purposes of construction.

2 RENEWABLE ENERGY SOURCES

2.1 Solar collectors

In the calculation of solar energy systems is the most important step to determine the optimal collector area and the number of collectors that provide the required of the energy cover in the time period according to the timetable, given the size of the structure. For application we choose for a given area collectors Ak (m2) heat balance for a certain period and determine the ratio of energy consumption covered by solar energy and additional resources [7]. The total collector area Ak is calculated from the formula: = (1)

where Qn = the thermal energy needed for the day or month (kWh); Qk- energy captured by the collectors for the day or month (KWh/m2), by the time of the equipment operation. = × (2)

where ηk = effectiveness of collectors shall be determined by calculation or it is specified by manufacturer; Qs = solar energy falling on the panels (kWh/m2).

To the exact calculation Qk takes into account: at the time of clear days effect on sunlit surface on the overall intensity of solar radiation continuously, but in cloudy sky acts only the intensity of diffuse radiation. Time rotation of clear and cloudy sky during a certain period is usually unknown and for climate data, express the average monthly relative sunshine.

= (3)

where Sm= average monthly sunshine (-); Treal = actual time interval determines the energy for the day sunlit area 1 m2 (10-14hod); Tteor. = theoretical time interval determines the energy for the day sunlit area 1 m2 (6h-18h).

After taking into account factors that can affect the performance of the collectors we have created a table with the following values. The collectors will be placed on the southern side of the construction site in 45° degrees.

In Table1. are measured the average values of solar radiation energy Hs the month (kWh/m2) for selected part - Bratislava.

Table 1. Average value of solar energy [7]

126


2.2 Wind turbines

To determine the type of wind turbine preferred to the building, it is necessary to know some of the main parameters for the building. One of the most important parameter is the average wind speed at a given nearby, the height of the proposed building, or a building in a built or unbuilt territory, and around the building are not above the higher buildings or whether it is not located in the protection zone and etc. In cooperation with the Slovak Hydrometeorological Institute was established a graph for the period 2010-2015 for this locality [6]

It can be said that the wind speed is over the last three years stable and not changing. The average wind speed for this location is about 3.6 m/s.

For the calculation of energy needs it is necessary to know the length of the workday, which is 10 hours and apparent input power for the construction site equipment. Specifically, for offices lighting, washrooms, changing rooms and construction sites. [5]

To calculate the apparent input power for construction site equipment is used this formula: ´ = 1.1 × (0.5 × + 0.8 × + ) + (0.7 × ) (4)

where S´ = apparent input power (kVA); 1,1 = the contingency reserve coefficient of increase input power; P1 = installed capacity of the electric motors on the construction site (kW); P2 - installed capacity of the interior lighting power (kW); P3 - installed capacity of the outdoor lighting (kW).

The aim is to cover P2 and P3.

Determination of the input power P2

• Lighting offices – 20 W/ m2 91.7 m2 x 20 W/ m2 = 1.834 kW • Lighting washrooms, changing rooms - 10 W/m2 170.3 m2 x 10 W/ m2 = 1.703 kW • Lighting store – 8W/ m2 50 m2 x 8 W/ m2 = 0.4 kW

Determination of the input power P3

• Lighting construction site 0.5 km x 5kW = 2.5 kW

Total input power - 6.446 kW

The selected part of the electricity consumption to be covered will be 32.30 kW/per day, when it considered with 5 hours of continuous use of all equipment simultaneously.The total free floor area of the proposed cabins is 86.4 m2.

2.3 Proposal of renewable energy sources for construction site equipment

For multifunctional residential building is designed in figure 2.

• for wind system type: figure.1 - Zephyr Airdolphin Mark-Zero Z-1000-24 with specific data such as Blade diameter: 1.8m, Weight: 17.5 kg power system: NdFeB permanent magnet three-phase synchronous motor is mounted, Winds from the starting power - 2 m/s, Material of blades - carbon fiber surface, body material - cast aluminum, body structure - Japanese traditional craft screw less card Tenon. It is considered to cover by the turbine at least 2.4 kWh/per day. The manufacturer declares that the turbine at a wind speed of 3.6m/s can produce 1.21 kWh/day. The required area to install the turbines are 2 m2. For construction site equipment are designed two turbines.

127


• the type of solar system: FV module Amerisolar 250Wp, poly-crystalline photovoltaic modules with aluminum frame with 16.9% efficiency. With dimensions 1.64 m x 0.99 m x 0.04 m. The total weight of construction is 18.5 kg. Considering all the factors that can have a major impact on the design, figures are presented in Table 2. The dimensioned number of photovoltaic panels for the construction site equipment is 34 units.

Table 2. Average value of solar energy [9] Fig. 1 Zephyr Airdolphin [8]

2.4 Advantages of using renewable sources during construction

The implementation of these alternative equipment have many advantages at the beginning of construction. Not only the reduction of CO2 production during construction, as well as independent power to ensure continuous operation cabins. And also it allows the investor a better chance to get world BREEAM rating (Building Research Establishment’s Environmental Assessment Method). BREEAM is the world's foremost environmental assessment method and rating system for buildings. A BREEAM assessment uses recognized measures of performance, which are set against established benchmarks, to evaluate a building’s specification, design, construction and use. The measures used represent a broad range of categories and criteria from energy to ecology. They include aspects related to energy and water use, the internal environment (health and well-being), pollution, transport, materials, waste, ecology and management processes [2].

128


Fig. 2 An illustrative connection diagram of wind and solar system (8)

3 CONCLUSION

The result of this article is an implementation the alternative sources for the design of construction equipment, focusing on the way the supply of construction equipment electricity using of alternative sources for interior and exterior lighting construction site. The overall design of the system supply is positioned so that the guaranteed minimum loss of electricity. The whole system of alternative sources can be put together according to the requirements of each construction equipment and contractor according to their preferences. An important feature is lifetime of semi-crystalline solar panels expected time of 20-25 years and wind turbine 20-23 years. For all designed panels and turbines can be used for many construction turnarounds with a low cost of installation and removal. Implementation of renewable sources met one of the requirements (Responsible construction practices- Environmentally Aware- Alternative energy so-users have been considered) which provide greater global BREEAM rating. With this proposal we present that nature is part of us all and last but not least can help Slovakia to a higher percentage to use BREEAM.

Literature [1] Bielek, B., Bielek, M., Vranay, F., Lukášík,D., Vranayová, Z., Vilčeková, S., Ehrenwald, P.,

Hríše, J., Majsniar,V., Mikušová, M. 2014 Low Energy, Green, Sustainable Building-Climate-Energy: 16-25.Bratislava: Faculty of Civil Engineering STU.

[2] BREEAM® 2016, [online] available at: http://www.breeam.com

[3] Dušička, P., Hutňan, M., Janíček, F., Kutiš, V., Murín, J., Paulech, J., Perný, M., Šály, V., Šulc, I., Šulek, P., Šurina, I. 2014, Renewable Energy Sources II: Biomass-Sun-Water, 139-142.Bratislava: STU v Bratislave

[4] Mackay, D. J. C. 2008, Sustainable Energy-Without the Hot Air: 22-150.UIT Cambridge.

[5] Makýš, O. & Makýš, P. 2003, Technological Project. Construction Site Traffic and Construction Site Equipment. Bratislava: Slovak University of Technology in Bratislava, ISBN 80-227-1847-5.

[6] Nguyen Tien, M., Ingeli, R., Jankovichová, E., Čekon, M. 2014, Integration of Small Wind Energy Source for Optimization of Energy Efficiency in Residential Building. In Advanced Materials Research Vol. 1041, CD ROM, SCOPUS, s. 162-166. ISSN 1022-6680(P).

[7] Petráš, D., Lulkovičová, O., Takács, J., Furi, B. 2009, Renewable Energy Sources for Low Temperature Systems: 21-35. Bratislava: JAGA GROUP.

[8] Saturn Power Co. Ltd. 2015, Wind Power, [online] available at: http://www.saturnpowerltd.com/danfoss_a_en.php?cid1=2&cid=14

[9] SVP SOLAR 2015, Photovoltaic Panels, [online] available at: http://www.solar-eshop.cz/p/fv-modul-amerisolar-250wp/

129

http://www.breeam.com

http://www.saturnpowerltd.com/danfoss_a_en.php?cid1=2&cid=14

http://www.solar


MÍRA ZPĚTNÉHO OSTŘIKU JAKO FUNKCE DOPADOVÉHO ÚHLU

BACKSPLASH RATE AS A FUNCTION OF IMPACT ANGLE

Ing. Adam Nehudek, prof. Ing. Jan Šulc, CSc.

ABSTRAKT

Článek pojednává o stanovení závislosti míry zpětného ostřiku na odpadovém úhlu vodního proudu vystupujícího z rozstřikovacího uzávěru pomocí 2D numerického výsekového modelu v programu FLOW-3D.

Klíčová slova: zpětný ostřik dopadový úhel, rozstřikovací uzávěr, 2D modelování, výsekový model

ABSTRACT

Article describes determination of backsplash rate dependence on water jet impact angle. The water jet is discharging from fixed-cone valve. Experiments were made on 2D numerical cutout model in FLOW-3D programme.

Key words: backsplash, impact angle, Howell-bunger valve, fixed-cone valve, hollow cone valve, 2D modelling, cutout model

1 ÚVOD

Mezi nejčastěji využívané koncové regulační uzávěry spodních výpustí přehrad patří rozstřikovací uzávěry (RU), které jsou v ČR i ve světě oblíbené pro jednoduchou konstrukci, dobré hydraulické vlastnosti a relativně nízké pořizovací náklady (Kratochvil, 1966, s. 24). Často jsou jimi v rámci rekonstrukcí nahrazovány starší typy regulačních uzávěrů.

K hlavním nevýhodám RU patří rozbíhavý tvar výtokového paprsku v podobě dutého kužele, který se s rostoucí vzdáleností od uzávěru mění ve vodní tříšť, jež zasahuje do širokého okolí. Takový rozstřik vodní tříště je z provozních důvodů nežádoucí (např. z důvodů vzniku námrazy na zasažených površích v období záporných teplot), byť je s rozstřikem vodní tříště spojeno její provzdušnění (Šulc, 2005, s. 45).

Obr. 1 Schématický podélný řez RU.

130


Z provozních důvodů jsou RU umísťovány do objektů (usměrňovacích komor) či opatřovány dodatečnou konstrukcí (usměrňovacím prvkem), které zajistí vhodnou transformaci kuželovitého vodního paprsku na nejčastěji prizmatický a jeho nasměrování do odpadního koryta. Z hlediska vedení paprsku povrchem usměrňovací komory a usměrňovacího prvku stejného tvaru budou v předloženém textu termíny usměrňovací prvek a usměrňovací komora chápány jako ekvivalentní, ačkoli se jejich stavební provedení liší.

1.1 Základní charakteristiky rozstřikovacích uzávěrů

Tělo RU (na obr. 1) tvoří rozrážecí kužel s vrcholem orientovaným proti směru proudění, který je k potrubí připevněn radiálními žebry, počet těchto žeber bývá různý, ale v současnosti se nejčastěji používají 4 žebra. Regulace průtoku se dosahuje posunem válcové objímky přes rozrážecí kužel, přičemž v uzavřené poloze objímka těsně dosedá k podstavě kužele. Velikost vrcholového úhlu se v ČR i ve světě ustálila na hodnotě γ = 90° (Šulc, 2005, s. 47).

Otevření uzávěru je charakterizováno odlehlostí hrany válcové objímky od dosedací části rozrážecího kužele a. Vztažením délky otevření a ke vstupnímu průměru uzávěru D se získá poměr a/D, který se nazývá relativní otevření; hodnota plného otevření se obvykle pohybuje v intervalu a0 = (0,4 ÷ 0,6)·D, větší otevření se již z ekonomických důvodů nevolí (Šulc, 2005, s. 46). Odklon výtokového paprsku od osy uzávěru β lze uvažovat hodnotou β = 45°, avšak jeho přesná hodnota závisí na mnoha konstrukčních detailech RU.

Obr. 2 Znázornění a) zpětného ostřiku a přestřiku, b) žádoucího vedení paprsku při odklonu dopadové

plochy o úhel δ.

1.2 Funkce usměrňovacích komor

K popisu míry usměrňovacího efektu komory se zavádějí termíny zpětný ostřik a přestřik, které hodnotí její nedostatečnou funkci, případně indikují její i její příčinu. Zpětný ostřik označuje stav, kdy se výtokový paprsek po dopadu na usměrňovací plochu rozdělí na dvě části, které sice obě sledují tečný směr této usměrňovací plochy, jedna část však s poproudní a druhá s protiproudní orientací.

Jako přestřik je označován jev, při kterém výtokový paprsek po opuštění komory nepokračuje vlivem nedostatečné usměrňovací délky v tečném směru, ale kvůli setrvačnosti proudu opouští obrys vymezený pomyslným prodloužením usměrňovacího povrchu komory v poproudním směru podélné osy.

Schéma na obr. 2 shrnuje oba nepříznivé jevy. Pro ekonomický a účelný návrh usměrňovací komory či usměrňovacího prvku je nutná znalost mezních hodnot, při kterých k výše uvedeným negativním jevům nedochází.

131


2 DOSAVADNÍ POZNATKY

Z hlediska výskytu zpětného ostřiku jsou komory prizmatického tvaru nevyhovující (Nehudek, 2013, s. 35), jsou proto hledány různé možnosti, jak úpravou tvaru vstupní části komory zpětnému ostřiku předejít. Nejčastějším řešením je difuzorový tvar vstupní části, na který navazuje nejčastěji prizmatická část zajišťující požadované směřování výstupního proudu z komory. Komoru složenou z části difuzorové a části prizmatické lze navrhnout buď jako složenou z přímostěnných prvků, nebo jako rotačně-symetrickou, což je především ve světě nejčastější případ.

Pro komory s difuzorovou vstupní částí je v otázce výskytu zpětného ostřiku klíčová hodnota úhlu δ, vliv může mít i velikost vnitřního průměru komory (tedy odlehlost usměrňovací plochy od osy RU).

Přehrada Salt Springs v USA byla v rámci modernizace vybavena RU o průměru D = 1,981 m, pro který byl s pomocí fyzikálního modelování navržen rotačně-symetrický usměrňovací prvek s odklonem difuzorové části 30°. Maximální spád na uzávěr je 87,5 m (Johnson a kol., 2007, s. 429).

V rámci řešení JIC voucheru (Kraus a kol., 2016, s. 7) byl navržen usměrňovací prvek s úhlem difuzorové části 22°, délkou prizmatické části 1,0·D a vnitřním průměrem 1,5·D, který vykazoval velice dobré usměrňovací schopnosti.

Autor ve své bakalářské práci (Nehudek, 2013, s. 27) z měření na výsekovém fyzikálním modelu RU stanovil mezní úhel odklonu usměrňovací roviny od osy paprsku, při kterém nedochází ke zpětnému ostřiku, na ω = 23°.

Obr. 3 Dělení paprsku na dvě části při dopadu na usměrňovací plochu pod úhlem ω.

Kawashima (Kawashima, 1976, s. 74) prováděl měření míry zpětného ostřiku v závislosti na poloze usměrňovací komory vzhledem k podstavě rozrážecího kužele. K experimentům využíval rotačně-symetrickou komoru s průměrem prizmatické části 2,35·D, difuzorová část byla odkloněna o úhel δ = 25°. Dále také uvádí vztah pro stanovení tloušťky t1 protiproudně směřujícího odraženého paprsku: = (1 − ), (1)

kde t0 je tloušťka paprsku vystupujícího z RU a ω je úhel, který svírá usměrňovací plocha s střednicí paprsku v místě jeho dopadu (na obr. 3). V případě, že paprsek dopadá na usměrňovací plochu kolmo, je cos ω = 0, a tedy t1 = t0/2. Rovnice zohledňuje, že při kolmém dopadu se výtokový paprsek rozdělí

132


na dvě stejné části, avšak již neuvažuje ztrátu energie (pak by muselo platit t1 + t2 > t0). Požadavek usměrnění bez zpětného ostřiku (t1 = 0) je dle rovnice (1) splněn až pro ω = 0, tedy pro případ kdy usměrňovací plocha je k výtokovému paprsku tečná. Výsledky experimentů však potvrzují, že k usměrnění bez zpětného ostřiku dochází již dříve.

Uvedený přehled dokládá, že dosud nepanuje jednotnost v otázce minimální hodnoty úhlu δ, při které nedochází ke zpětnému ostřiku. Zjištění mezní hodnoty umožní minimalizovat rozměry celého usměrňovacího prvku. Také aproximace rotačně-symetrického proudění 2D modelem má zřejmě své meze, jak naznačuje nejednotnost mezi rovnicí (1) a výsledky experimentů.

3 VYHODNOCENÍ

Náklon usměrňovací roviny byl v rámci jednotlivých numerických simulací měněn v rozsahu δ = (-45° ÷ 35°), resp. ω = (10° ÷ 90°) za předpokladu β = 45°. Otevření uzávěru bylo nastaveno na a/D = 0,60 a spád na uzávěr H = 3 m. Pro vybrané odklony usměrňovací roviny byly provedeny numerické simulace s H = 15 m, nebo a/D = 0,3. Z výsledků numerických simulací byly odečteny tloušťky paprsků t0, t1 a t2. Pro lepší porovnatelnost a aplikovatelnost výsledků byly definovány hodnoty bezrozměrných součinitelů k1 a k2: = , (2)

kde i = {1, 2}. Takto získané hodnoty jsou pro různé úhly ω a pro jednotlivé varianty uvedeny v levém grafu na obr. 4, ve kterém je vynesena i rovnice (3) získaná úpravou rovnice (1) do bezrozměrného tvaru: = (1 − ). (3)

Hodnotu koeficientu k2 pro případ proudění ideální kapaliny je možné vyjádřit pomocí rovnice (4). Srovnání hodnot určených z rovnice (4) s hodnotami získanými z numerických simulací je v pravém grafu na obr. 4. = 1 − = (1 + ). (4)

Obr. 4 Srovnání hodnot součinitele k1 resp. k2 získaného z různých variant numerických simulací

s hodnotami určenými z rovnice (3) resp. (4).

133


4 ZÁVĚR

Výsledky numerických simulací rovinného proudění potvrdily, že existuje mezní hodnota úhlu ω (resp. δ), při které je dopadový paprsek odražen bez zpětného ostřiku. Tato hodnota nezávisí na spádu H, ale je ovlivněna tloušťkou výtokového paprsku t0: pro menší tloušťku dochází k odrazu bez zpětného střiku při větším vzájemném odklonu usměrňovací roviny a výtokového paprsku z RU. Tento rozdíl však může být způsoben velikostí elementu výpočetní sítě (1 mm), který v podstatě limituje minimální postižitelnou tloušťku paprsku na přibližně tuto hodnotu. Avšak z hlediska aplikovatelnosti je zpětný ostřik v jednotkách % prakticky zanedbatelný.

V situaci, kdy výtokový paprsek dopadá kolmo na usměrňovací rovinu, by dle teoretického rozboru měly mít tloušťky t1 a t2 (a tedy i součinitelé k1 a k2) stejnou hodnotu. Pro proudění ideální kapaliny by zřejmě mělo platit: t1 = t2 = t0/2 a k1 = k2 = 0,5, avšak vinou ztrát vyvolaných změnou směru proudu, jsou hodnoty součinitelů k větší. Rozdílná tloušťka poproudně a protiproudně odraženého paprsku je způsobena nesymetrickým rychlostním profilem ve výtokovém paprsku z RU, jak je ukázáno na obr. 5, kde byl pro zvýraznění rozdílu v rychlostním poli omezen rozsah barevných kontur na (6,5 ÷ 7,5) m·s-1.

Obr. 5 Nesymetrický rychlostní profil ve výtokovém paprsku je způsoben obtékáním hrany posuvné objímky a má za následek rozdílné tloušťky t1 a t2 odražených paprsků. Barevné

kontury představují velikost rychlosti v [m·s-1].

V grafu na obr. 4 jsou hodnoty koeficientů k1 určených z výsledků numerických simulací vždy nad hodnotami stanovenými z rovnice (3) až do okamžiku, kdy je dosaženo odrazu bez zpětného ostřiku (pro otevření a/D = 0,60 toho bylo dosaženo při ω < 13° – na obr. 6, pro otevření a/D = 0,30 při ω < 26°), potom je k1 = 0. Na výsekovém fyzikálním modelu RU bylo při otevření a/D = 0,57 dosaženo odrazu bez zpětného ostřiku při ω = 23° (Nehudek, 2013, s. 27). Tato hodnota vykazuje dobrou shodu s výsledky numerického modelu.

Je zřejmé, že ztráty při protiproudním odrazu jsou významným činitelem, který je nevhodné zanedbávat, neboť dochází k podhodnocení skutečné tloušťky t1 protiproudně odraženého paprsku.

Větší shody bylo dosaženo mezi hodnotami koeficientu k2 získaného z numerických simulací a jeho vyjádřením pomocí rovnice (4) v intervalu hodnot ω = (25° ÷ 90°), což je patrné z grafu na obr. 4. Avšak pro hodnoty ω < 25° sledují odpovídající hodnoty k2 získané z numerických simulací přímkový

134


trend a rychle se zprava blíží hodnotě k2 = 1 a s dalším snižováním hodnoty ω je dokonce k2 > 1. V bodových hodnotách k2 pro interval ω = (10° ÷ 20°) je zřetelný vrchol a jejich opětovné klesání, lze tedy předpokládat, že při ω = 0° by měl tečně přiléhající paprsek k usměrňovací rovině stejnou tloušťku jako při opuštění RU, tedy t0 = t2 a k2 = 1. S rostoucím odklonem od tečného směru roste i odpor usměrňovací roviny a odražený paprsek má tedy tloušťku t2 > t0, avšak jen do bodu, než dojde ke zpětnému ostřiku, potom začíná tloušťka t2 opět klesat.

Zjištěné mezní hodnoty úhlu odklonu ω usměrňovací roviny od osy výtokového paprsku z RU, resp. úhlu odklonu δ usměrňovací roviny od osy RU jsou potřebným poznatkem pro návrh přímostěnných usměrňovacích komor. Další práce by měly pomocí 3D modelu objasnit, nakolik zjištěné hodnoty a poznatky platí i pro rotačně-symetrický případ. S ohledem na již provedené experimenty a realizace lze očekávat odlišné výsledky (jak dokládá stručný přehled v 2. kap.).

Obr. 6 Usměrnění bez zpětného ostřiku pro otevření a/D = 0,60, spád H = 3 m a odklon usměrňovací roviny od osy výtokového paprsku ω = 12°. Barevné kontury představují velikost rychlosti v [m·s-1].

5 PODĚKOVÁNÍ

Práce byly provedeny s podporou projektu FAST-S-15-2841 „Přelivy za specifických hydraulických podmínek“.


[1] JOHNSON, M. C., PEARMAN, J. E., LUBBEN, R. Modernization of the Salt Springs Dam Outlet Works. In: Modernization and optimization of existing dams and reservoirs: 27th Annual USSD Conference, Philadelphia, Pennsylvania, March 5-9, 2007. Denver, Colo.: U.S. Society on Dams, 2007, s. 429-438. ISBN 978-1-884575-40-2.

[2] KAWASHIMA, M. Hydraulic Characteristics of Hollow Cone Valve with Hood. Fuji Electric review. 1976, 22(2), 72-75.

[3] KRATOCHVIL, S. Hydraulické vlastnosti vysokotlakých uzávěrů. Závěrečná výzkumná zpráva, VVÚVSH VUT v Brně, 1966.

[4] KRAUS, P.; NEHUDEK, A.; ŠULC, J. Hydraulický výzkum tvarů konstrukcí k usměrnění vytékajícího proudu z rozstřikovacího uzávěru. Hydroturbo 2016. Znojmo: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2016. s. 1-8.

[5] NEHUDEK, A. Návrh tvaru usměrňovací komory rozstřikovacího uzávěru. Brno, 2013. 40 s., 17 s. příl. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodních staveb.

[6] ŠULC, J. Shaping the outflow jet of tainter gates and hollow cone valves directed into water tunnels. Wasserbauliche Mitteilungen, Heft 29, Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik der TU Dresden, 2005, str. 45 – 54, ISSN 0949-5061.

135


VPLYV ZMIEN VYUŽITIA ÚZEMIA NA EKOLOGICKÚ STABILITU KRAJINY V POVODÍ RIEKY MYJAVA

THE IMPACT OF LAND USE CHANGES ON THE ECOLOGICAL STABILITY IN THE MYJAVA RIVER BASIN

Ing. Radovan Nosko, Ing. Marcela Maliariková, prof. Ing. Kamila Hlavčová, PhD.

ABSTRAKT

Krajinu možno definovať ako systém, ktorý vznikol pôsobením prírodných a antropogénnych činiteľov. Tieto vplyvy neustále menia krajinu a jej štruktúru, a teda z ekologického hľadiska vplývajú na jej stabilitu. Problematika ekologickej stability krajiny patrí v súčasnosti medzi často riešené témy. V predkladanom príspevku sme sa zamerali na zmeny využitia územia v troch časových horizontoch (1. vojenské mapovanie, topografické mapovanie a mapa súčasného využitia územia), ktoré do istej miery ovplyvnili ekologickú stabilitu povodia rieky Myjava. Na kvantifikovanie týchto zmien boli použité rôzne metodické postupy určovania koeficientov ekologickej stability (KES). Cieľom práce bolo porovnanie zmien využitia územia a tiež ekologickej stability, ako aj návrh ekostabilizačných prvkov na zvýšenie ekologickej stability riešeného územia.

Kľúčová slová: povodie rieky Myjava, krajina, ekologická stabilita, využitie krajiny, koeficient ekologickej stability

ABSTRACT

Landscape can be defined as a system created by the action of natural and anthropogenic factors. These effects constantly change the landscape and its structure and therefore, from an ecological point of view, affect its stability. The issue of ecological stability of the landscape is currently one of the frequently solved themes. In the present paper, we focused on the land use changes over three time horizons (1st military mapping, topographic mapping and current land use map), which to a certain extent, influenced the ecological stability of the Myjava River Basin. Various methodologies for determining ecological stability coefficients (KES) were used to quantify these changes. The aim of the work was to compare the land use changes and also changes of the ecological stability, as well as design of ecostabilizing elements to increase the ecological stability of the area.

Key words: Myjava River Basin, landscape, ecological stability, landuse, coefficient of ecological stability

1 ÚVOD

Sledovaná oblasť povodia rieky Myjava sa nachádza v západnej časti Slovenska. Povodie s rozlohou približne 623 km2 patrí medzi stredne veľké povodia s dĺžkou toku 79 km. Tento relatívne členitý geomorfologický celok sa nachádza v nadmorskej výške od 167 do 970 m n. m a tvoria ho od severu Biele Karpaty, v strednej časti Chvojnícka a Myjavská pahorkatina a smerom na juh Borská nížina a Malé Karpaty. Povodie patrí medzi územia, ktoré výrazne ovplyvňuje najmä vodná erózia spojená so vznikom eróznych rýh a depresií. Hlavnou príčinou vzniku vodnej erózie a ostatných sprievodných javov je fakt, že územie bolo ovplyvnené mnohými negatívnymi faktormi (antropogénne činnosti) pozmeňujúcimi krajinný ráz a štruktúru krajiny. Najzásadnejšie zmeny nastali v období kopaničiarskej

136


kolektivizácie (začiatok 17.st.) spojenej s intenzívnym odlesňovaním. Ďalším zásadným javom, ktorý zmenil ráz krajiny, bola kolektivizácia poľnohospodárstva z polovice 20. st., počas ktorej došlo k sceľovaniu pozemkov (Stankoviansky 1997, s. 6). V dôsledku spomenutých zmien je retenčná schopnosť sledovaného územia znížená.

Obr. 1 Lokalizácia povodia rieky Myjava

Vzhľadom na historický vývoj krajiny sme sa zamerali na kvantitatívnu analýzu zmien využitia územia za účelom porovnania ekologickej stability vo vybraných časových horizontoch. Sledované obdobia: prvé z roku 1769 – 1787 (1. vojenské mapovanie – 1.VM), druhé z rokov 1952 – 1957 (topografické mapovanie - TM 25) a tretie z roku 2010 (súčasné využitie územia – SUC LU) odrážajú krajinu pred a po spoločenských zmenách a ponúkajú tak dobrý obraz zmien riešeného územia.

Ekologická stabilita je vnímaná ako schopnosť ekosystémov vrátiť sa k dynamickej rovnováhe, resp. k svojmu normálnemu vývojovému smeru. Je to vlastne „dynamická schopnosť ekosystémov trvale udržiavať a obnovovať podmienky svojej existencie autoregulačnými mechanizmami“ (Zaušková, Midriak 2007, s. 70). Na určenie a hodnotenie ekologickej stability krajiny sa v praxi používajú koeficienty ekologickej stability.

2 MATERIÁLY A METÓDY

Na určenie miery ekologickej stability krajiny je potrebné vedieť čo najviac o krajinnej pokrývke, o jej zmenách, ako aj o zmenách spôsobu využitia územia. Tieto pre oblasť povodia rieky Myjava spracovali vo svojej práci Valent a kol. (Valent a kol. 2016, s. 15 – 26). Na kvantifikáciu zmien ekologickej stability sa využívajú koeficienty podľa viacerých autorov.

V predkladanom príspevku sme na určenie ekologickej stability územia použili metodiku a výpočet koeficienta podľa nasledujúcich autorov. Najjednoduchší spôsob stanovenia KES vytvoril Míchal (Míchal 1982, s. 65 – 87), ktorý vychádza z podielu relatívne stabilných (lesy, trávnaté porasty, vodné plochy) ku relatívne nestabilným plochám (orná pôda, urbanizované plochy). Ďalšia výpočtová metóda určenia KES (Löw et al. 1984, s. 55) závisí od delenia jednotlivých prvkov podľa stupňa ekologickej kvality, pričom 5. stupňom kvality sú definované najstabilnejšie plochy (lesy, vodné plochy) a najmenej stabilné (zastavané plochy) sú označované 1. stupňom kvality. Podľa Miklósa (Miklós 1986, s. 87 – 93) považujeme za najkvalitnejšiu krajinu takú, v ktorej sa nachádza najväčší podiel prvkov s vysokou krajinnoekologickou významnosťou. Posledným použitým vzťahom je výpočet podľa Reháčkovej a Pauditšovej (Reháčková, Pauditšová 2007, s. 26 – 38; Pauditšová a kol. 2007, s. 61 – 82). Ten vznikol na základe dovtedajších poznatkov a popisuje spolupôsobenie súčasnej krajinnej štruktúry a aktuálnej vegetácie. Všetci spomínaní autori vytvorili i vlastné klasifikačné

137


stupnice (Míchal 1994, s. 244; Reháčková, Pauditšová 2007, s. 26 – 38), na základe ktorých dokážeme určiť charakter krajiny a jej ekologickú stabilitu - ES (Tab. 1).

Metodika Klasifikačná stupnica KES a charakteristika krajiny

Míchal KES < 0,10 0,10 < KES < 0,30 0,30 < KES < 1,00 KES > 1,00

max. narušenie prírodných štruktúr

zreteľné narušenie prírodných štruktúr

značná ekologická labilita krajiny

vcelku vyvážená krajina

Löw et al. KES < 0, 1 0,1 < KES < 1 KES = 1 1 < KES < 10 KES > 10

degradovaná krajina

narušená krajina

vyvážená krajina

prevažne prírodné zložky

prírode blízka krajina

Miklós KES< 0,30 0,31–0,40 0,41–0,50 0,51–0,60 0,61–0,70 0,71-0,80 KES>0,80 najnekval.

krajina nekvalitná

krajina málo

kvalitná mierne kvalitná

stredne kvalitná

výrazne kvalitná

najkvalit. krajina

Reháčková Pauditšová

1,00 – 1,49 1,50 – 2,49 2,50 – 3,49 3,50 – 4,49 4,50 – 5,00 veľmi nízka

ES nízka ES stredná ES vysoká ES

veľmi vysoká ES

Tab. 1 Klasifikačné stupnice hodnotenia ekologickej stability

3 VÝSLEDKY

Pri porovnaní máp z roku 1769 (1.VM), 1952 (TM 25) a 2010 (SUC LU) boli zo získaných údajov, spracovaných do tabuľky (Tab. 2), zistené zmeny v spôsobe využitia územia pre každé z týchto časových horizontov. Pre obdobie 1.VM bolo identifikovaných 5 kategórií, resp. krajinných prvkov, na mapách TM 25 už 7 prvkov a pre súčasné využitie krajiny bolo celkovo identifikovaných 10 krajinných prvkov. Vzhľadom na vyššie spomenuté udalosti, ako boli kopaničiarska kolonizácia a kolektivizácia poľnohospodárstva, nastali významné zmeny v spôsobe využitia územia. Tieto zmeny sa výrazne týkajú dvoch skupín krajinných prvkov, a to hlavne ornej pôdy a lesných plôch. V danom povodí v období 1. VM pokrývali plochy ornej pôdy viac ako 60 % celkovej rozlohy územia, pričom lesy len okolo 23 % rozlohy. Tento nepomer medzi ornou pôdou a lesnými spoločenstvami zapríčinil, že krajina bola nestabilná (Tab. 3). Postupom času ubúdali poľnohospodársky obrábané plochy a narastala rozloha lesov (TM 25). V súčasnosti pozorujeme predovšetkým výrazný pokles rozlohy ornej pôdy o viac ako 15 % (oproti pôvodnému stavu) a naopak stúpajúci trend rozlohy lesných spoločenstiev.

Spôsoby / kategórie využitia územia

Rozloha 1. VM Rozloha TM 25 Rozloha SUC LU [km2] [%] [km2] [%] [km2] [%]

Orná pôda 378,66 60,77 340,40 54,63 280,43 45,01 Nízka tráva 88,86 14,26 50,82 8,15 75,73 12,15 Ihličnaté lesy 61,86 9,93 74,04 11,89 59,86 9,61 Listnaté lesy 76,43 12,27 61,31 9,84 138,98 22,31 Zmiešané lesy - - 27,49 4,41 15,89 2,55 Močiare, rašeliniská - - - - 0,01 0,00 Prechodné lesokroviny - - 34,29 5,51 21,40 3,43 Holá pôda - - - - 0,32 0,05 Urbanizované plochy 17,25 2,77 34,71 5,57 28,72 4,61 Vodné plochy - - - - 1,72 0,28 ∑ 623,06 100,00 623,06 100,00 623,06 100,00

138


Tab. 2 Porovnanie zmien využitia územia z máp 1. VM, TM 25 a SUC LU

Tab. 3 popisuje stabilitu územia v 2. polovici 18. st. (1. VM), kedy bolo povodie definované ako výrazne nestabilné, s veľkou mierou poľnohospodárskej výroby a narušením pôvodných prírodných štruktúr. V tomto období je takmer 65% hodnotených plôch nestabilných. Krajina je náchylná na vodnú eróziu. Podľa Miklósa hovoríme o nekvalitnej krajinnej štruktúre.

Obdobie KES Zvolená metodika Charakter územia

1. VM

0,57 podľa Míchala územie intenzívne využívané, predovšetkým poľnohospodárskou veľkovýrobou

2,80 podľa Löwa krajina s prevažne prírodnou zložkou 0,40 podľa Miklósa krajinná štruktúra - nekvalitná 1,80 podľa Reháčkovej krajina s nízkou ekologickou stabilitou

Tab. 3 Výsledné hodnoty koeficientov ekologickej stability KES v polovici 18. storočia (1.VM)

V polovici 20. st. (TM 25) dochádza k významným zmenám využitia krajiny vplyvom kolektivizácie poľnohospodárstva. Vznikajú veľkoblokové polia, hovoríme o zániku mozaikovitých políčok. Povodie rieky Myjava pritom patrilo k oblastiam s najväčšou rozdrobenosťou poľnohospodárskej pôdy v ČSR. Z tohto dôvodu ostávajú ťažko dostupné plochy nevyužívané a postupne zalesňované. Napriek tomu je stále približne 60% plôch nestabilných. Hodnoty KES podľa všetkých autorov sú mierne vyššie, ale naďalej klasifikujeme sledované územie ako krajinu s nízkou ekologickou stabilitou, viď Tab. 4.


TM 25

0,66 podľa Míchala územie intenzívne využívané predovšetkým poľnohospodárskou veľkovýrobou

3,33 podľa Löwa krajina s prevažne prírodnou zložkou 0,45 podľa Miklósa málo kvalitná krajinná štruktúra 1,89 podľa Reháčkovej krajina s nízkou ekologickou stabilitou

Tab. 4 Výsledné hodnoty koeficientov ekologickej stability KES v polovici 20. storočia (TM 25)

Na základe určenia koeficientu ekologickej stability KES možno povedať, že súčasná ekologická stabilita povodia rieky Myjava (Tab. 5) sa oproti minulosti zvýšila (pri všetkých zvolených metodikách). Tento jav je spôsobený najmä opätovným zalesňovaním územia, jeho kvalitu však znižuje výsadba stanovištne nepôvodných ihličnanov. Nestabilné plochy pokrývajú 50 % celkovej rozlohy povodia. Ďalšie zvýšenie ekologickej stability možno dosiahnuť realizáciou nových ekostabilizačných prvkov, návrhom a následnou aplikáciou ekostabilizačných opatrení (napr. delimitácia pôdneho fondu).


SUC LU

1,01 podľa Míchala takmer vyvážená krajina 4,95 podľa Löwa krajina s prevažne prírodnou zložkou 0,52 podľa Miklósa mierne kvalitná krajinná štruktúra 2,30 podľa Reháčkovej krajina s nízkou ekologickou stabilitou

Tab. 5 Výsledné hodnoty koeficientov ekologickej stability KES v súčasnosti (SUC)

Okrem numerických výsledkov spracovaných do tabuliek boli vytvorené i grafické výstupy pre jednotlivé obdobia znázorňujúce relatívne stabilné a nestabilné plochy v danom povodí. Z obrázku (Obr. 2) je zrejmé, že najstabilnejšie plochy sa nachádzajú v južnej časti povodia (časť Malých Karpát a Borská nížina) a tie najmenej stabilné pokrývajú centrálnu časť (Myjavská pahorkatina).

139


Obr. 2 Historický vývoj relatívne stabilných a nestabilných plôch v povodí rieky Myjava

Ako bolo spomenuté, územie je významne zmenené hlavne pôsobením ľudskej činnosti. Pre určenie rozsahu antropogénnych zásahov na pôvodnú krajinnú štruktúru, ktoré ovplyvňujú ekologickú stabilitu, bola použitá metóda určenia koeficientu pôvodnosti kultúrnej krajiny KPKK (Žigrai 2001, s. 35 – 40). Koeficient nadobúda hodnoty od 0, pričom ak dosahuje hodnotu menšiu ako 1, krajina je intenzívne pretváraná ľudskou činnosťou. Naopak čím je KPKK väčší, tým je prírode bližšia krajina. Súčasný stav povodia rieky Myjava vykazuje KPKK = 1,03, pričom územie SR je hodnotené KPKK = 2,01 (Tab. 6).

Sledované obdobie KPKK 1. vojenské mapovanie 1.VM (1769-1784) 0,60 Topografická mapa TM 25 (1952-1960) 0,62 Súčasné využitie územia SUC (2010) 1,03 Priemer v Slovenskej Republike 2,01

Tab. 6 Určenie koeficientu pôvodnosti kultúrnej krajiny

4 ZÁVER

Územie povodia rieky Myjava je už niekoľko storočí významne ovplyvňované antropogénnou činnosťou a prírodnými javmi. Ich kombináciou sa oblasť stala jednou z najviac ohrozených častí Slovenskej Republiky vodnou eróziou. Tieto faktory majú vplyv na celý ekosystém, hlavne z hľadiska ekologickej stability krajiny. V príspevku sme sa zamerali na určenie koeficientu ekologickej stability ako indikátora kvality ekosystémov. V čase 1. vojenského mapovania (polovica 18. st.) bolo toto povodie najmenej stabilné a stupeň pôvodnosti kultúrnej krajiny dosahoval hodnotu 0,6, čo znamená, že prevládajú plochy s vysokou intenzitou antropického využitia. V ďalšom období, najmä vplyvom spoločenských zmien v krajine, na území nedošlo k výraznejšiemu stabilizovaniu ekosystémov. Najlepšie výsledky sme získali pri analýze súčasného stavu, kedy koeficient pôvodnosti (KPKK = 1,03), ako aj všetky koeficienty ekologickej stability dosiahli lepšie hodnoty. V porovnaní so slovenským priemerom (KPKK = 2,01) je táto hodnota naďalej nízka. V sledovanom povodí je naďalej množstvo veľkoblokových polí na svahoch s vysokými sklonmi, ktoré sú ideálnym prostredím pre vznik eróznych rýh a výmoľov a s nimi spojené bahenné povodne (odnos veľkého množstva erodovaného materiálu). Z tohto dôvodu je nutné na zvýšenie ekologickej stability realizovať návrh ekostabilizačných prvkov a manažmentových opatrení.

140


Poďakovanie

Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-15-0497 a Európskou komisiou v rámci projektu 7RP RECARE, kontrakt č. 603498.

141



[1] Löw, J. et al. (1984): Zásady pro vymezování a navrhovaní územních systému ekologické stability v územne-plánovací praxi, Agroprojekt Brno, 55 s.

[2] Míchal, I. (1982): Principy krajinářského hodnocení území, Architektúra a urbanizmus, XVI/Z, Bratislava: VEDA SAV, s. 65 – 87.

[3] Míchal, I. (1994): Ekologická stabilita, Veronica Brno, 244 s.

[4] Miklós, L. (1986): Stabilita krajiny v ekologickom genereli SSR, Životné prostredie, Vol. 20, č. 2, ÚKE SAV Bratislava, s. 87 – 93.

[5] Pauditšová, E., Reháčková, T., Ružičková, J. (2007): Metodický návod na vypracovanie miestneho územného systému ekologickej stability, Acta Envir. Univ. Comenianae (Bratislava), Vol. 15, 2, s. 61 – 82.

[6] Reháčková, T., Pauditšová, E. (2007): Metodický postup stanovenia koeficientu ekologickej stability krajiny, Acta Envir. Univ. Comenianae (Bratislava), PriF UK, Bratislava, Vol. 15, 1, s. 26 – 38.

[7] Stankoviansky, M. (1997): Antropogénne zmeny krajiny myjavskej kopaničiarskej oblasti, Životné prostredie, Vol. 31,No. 2, 6 s.

[8] Valent, P., Rončák, P., Maliariková, M., Behan, Š. (2016): Utilization of historical maps in the land use change impact studies: a case study from Myjava river basin, Slovak Journal of Civil Engineering, Vol. 24, No. 4, s. 15 – 26, ISSN 1210-3896, DOI: 10.1515/sjce-2016-0018.

[9] Zaušková, Ľ., Midriak, R. (2007): Únosnosť a využívanie krajiny, Banská Bystrica : UMB Banská Bystrica, FPV, 70 s.

[10] Žigrai, F. (2001): Interpretácia historických máp pre štúdium využitia zeme a krajinnoekologický výskum, In Historické mapy (Zborník z konferencie), Bratislava: Kartografická spoločnosť SR, s. 35 – 40.

142


VYUŽITÍ 3D NUMERICKÝCH SIMULACÍ PŘI STANOVENÍ HYDRODYNAMICKÉHO ZATÍŽENÍ PŘELÉVANÉ MOSTOVKY

USE OF 3D NUMERICAL SIMULATION IN THE PROCESS OF QUANTIFICATION OF HYDRODYNAMIC LOAD ON OVERFLOWED BRIDGE DECK

Ing. Michal Pavlíček, doc. Ing. Aleš Dráb, Ph.D.

ABSTRAKT

Článek se zabývá možnostmi stanovení hydrodynamického zatížení obtékané mostovky s využitím 3D numerických simulací. Při povodňových průtocích, kdy může docházet k zaplavení a přelití mostovky, dochází vlivem proudění okolo konstrukce mostovky ke vzniku hydrodynamického zatížení. Kvantifikace tohoto typu zatížení je nezbytným vstupem pro statické posouzení mostní konstrukce. Za tímto účelem byl vytvořen 3D numerický model proudění vody o volné hladině v programu Flow 3D. Pro konkrétní tvary příčných řezů mostovkou byl s použitím tohoto modelu ověřen vliv tvaru mostovky na velikost hydrodynamického zatížení při různé úrovni zaplavení a různých hodnotách přítokové rychlosti. Na základě zjištěných hodnot byly vyhodnoceny hodnoty tvarového součinitele horizontální složky hydrodynamického zatížení. Dosažené výsledky z programu Flow 3D byly porovnány s již realizovanými měřeními na fyzikálním modelu a s výsledky z 2D numerického modelu v programu ANSYS Fluent.

Klíčová slova: Flow 3D, 3D numerická simulace, hydrodynamické zatížení, přelévaná mostovka, tvarový součinitel.

ABSTRACT

The article describes quantification of hydrodynamic load on overflowed bridge deck using 3D numerical simulation. During floods water level in a river channel can reach a lower edge of a bridge deck and bridge deck can be overflowed. Hydrodynamic load is caused by water flow around a bridge deck. Quantification of the load is an important input to assessment of a bridge deck stability. Solution was pursued by using 3D numerical simulation of open channel flow in Flow 3D software. Influence of shape of bridge deck on value of hydrodynamic load was verified for different shapes of bridge deck and different values of inundation ratio and flow velocity. Values of drag coefficient is result of computation. The article provides comparison of 3D numerical simulation with physical experimental testing in Flow 3D and result of 2D numerical simulation in ANSYS Fluent.

Key words: Flow 3D, 3D numerical simulation, hydrodynamic load, overflowed bridge deck, drag coefficient

1 ÚVOD

Při povodňových průtocích, kdy dochází k částečnému nebo úplnému zaplavení mostovky, je nutné kvantifikovat hydrodynamické zatížení působící na konstrukci mostovky. Hodnoty tohoto zatížení lze snížit např. zvýšením úrovně mostovky nebo úpravou tvaru mostovky do hydraulicky vhodnějšího tvaru. Úprava tvaru mostovky je možná při relativně nízkých investičních nákladech oproti zvýšení úrovně mostovky, které vyvolává související náklady na úpravu nivelety dráhy či pozemní komunikace.

143


Hydrodynamické zatížení obtékaných těles je obecně vyjádřeno v podobě odporové síly působící proti směru proudění. Ta je závislá na hodnotě odporového součinitele stanovené za předpokladu, že přítomnost stěn koryta ani volná hladina neovlivňují proudění v okolí obtékaného tělesa [1].

V normě ČSN 75 0250 [2] a odborné literatuře [1] lze nalézt doporučené hodnoty odporových součinitelů pro běžné tvary obtékaných těles. Pro tělesa složitého tvaru se dle [2] doporučuje stanovit tyto hodnoty experimentálně.

V odborné literatuře lze také nalézt řadu prací zaměřených na stanovení hydrodynamického zatížení přelévané mostovky [3], [4], [5]. Předmětem těchto prací je zpravidla fyzikální i numerické modelování proudění vody přes různé tvary mostovek. Přínos předkládaného článku spočívá především v ověření výše uvedených publikovaných konvenčních přístupů na atypických tvarech mostovky.

2 STANOVENÍ HYDRODYNAMICKÉHO ZATÍŽENÍ PŘELÉVANÉ MOSTOVKY

Hydrodynamické zatížení je uvažováno jako změna namáhání konstrukce oproti stavu, kdy je kapalina v klidu. Při proudění reálné kapaliny okolo konstrukce mostovky působí od vody na konstrukci tlakový odpor (výsledný silový účinek normálových napětí působících na obtékaný povrch mostovky) a třecí odpor (výsledný silový účinek tečných napětí působících na obtékaný povrch mostovky). Normálové napětí působící na obtékaný povrch mostovky je způsobeno tlakem proudící kapaliny. Tečné napětí vzniká vlivem tření proudící kapaliny o povrch tělesa. Vlivem viskozity kapaliny je u stěn obtékaného tělesa nulová rychlost (kapalina přilne k povrchu) a se vzdáleností od povrchu tělesa se rychlost zvyšuje. Dle Prandtla [1] se v okolí povrchu tělesa vyskytuje tzv. mezní vrstva, ve které vzniká značné tečné napětí. Mimo mezní vrstvu je vliv viskozity kapaliny zanedbatelný [6].

Výsledný silový účinek hydrodynamického zatížení ve směru proudu kapaliny působícího na obtékanou mostovku lze vyjádřit pomocí bezrozměrného tvarového součinitele CD: = pro 1* ≥h a = ( ) pro 1* <h , (1) ℎ∗ = , (2)

kde CD je tvarový součinitel horizontální složky hydrodynamického zatížení, Fx horizontální složka hydrodynamické síly působící v těžišti mostovky, ρw hustota vody, v střední průřezová rychlost před mostem, b délka mostu, s výška mostovky, h* relativní zaplavení mostovky, hu hloubka vody před mostem, hb výška spodní hrany mostovky nade dnem.

Ze vztahu (1) je patrné, že velikost hydrodynamického zatížení přelévané mostovky ovlivňují zejména tvar konstrukce mostovky a drsnost povrchu mostovky (vyjádřen tvarovým součinitelem CD), úroveň zaplavení mostovky (vyjádřeno relativním zaplavením mostovky h*), hustota kapaliny ρw (uvažována konstantní hodnota odpovídající hustotě vody), rychlost proudění kapaliny (vyjádřena bezrozměrným Froudovým kritériem Fr pro proudění před mostem): = , (3)

kde v je střední průřezová rychlost před mostem, g tíhové zrychlení a hu hloubka vody před mostem.

Jednou z možností, jak stanovit hodnotu tvarového součinitele CD je měření na fyzikálním modelu, kdy je pomocí silových snímačů měřena horizontální složka hydrodynamické síly Fx a dle vztahu (1) je stanovena hodnota součinitele. Dalším způsobem je výpočet pole napětí (normálového p a tečného τ) po obvodu obtékané mostovky pomocí numerických simulací. Integrací tohoto pole napětí

144


lze určit hodnota horizontální složky hydrodynamického zatížení působící v těžišti mostovky Fx. S využitím vztahu (1) lze potom stanovit hodnotu tvarového součinitele CD.

Článek navazuje na diplomovou práci zaměřenou na 2D numerické modelování [6] a výzkum zaměřený na fyzikální modelování dané problematiky [7].

V rámci [6] a [7] bylo numericky i fyzikálně modelováno 18 scénářů. Byly uvažovány 2 varianty příčných řezů mostovkou (viz Obr. 1). Pro každou variantu příčného řezu byly simulovány 3 úrovně zaplavení mostovky, (charakterizovány relativním zaplavením mostovky h*=0,5; 1,0; 2,0) a 3 hodnoty přítokové rychlosti (charakterizovány Froudovým kritériem na vtoku (Fr=0,22; 0,27; 0,32). Rozsah Fr byl zvolen s ohledem na situace, které mohou nastat při aplikaci v praxi a zároveň s ohledem na možnosti fyzikálního modelování a limity hydraulického okruhu laboratoře. Rozsah zvolených hodnot relativního zaplavení h* pokrývá většinu praktických aplikací na mostech, pro které může být výhodné konstrukčně omezit účinky hydrodynamického zatížení.

Obr. 1 Varianty uvažovaných příčných řezů mostovkou: a) varianta 1 – obdélníkový most, b) varianta 2 – kosý most

3 FYZIKÁLNÍ MODEL

Fyzikální model realizovaný v [7] byl umístěn do sklopného žlabu šířky 414 mm a výšky 430 mm s průhlednými bočními stěnami, o celkové délce 12 m a s podélným sklonem 0°. Žlab je napojen na hydraulický okruh se zásobní nádrží a čerpadlem řízeným frekvenčním měničem. Měrná trať ve žlabu sestávala z uklidňovacího úseku o délce 3,4 m se sítem a plovoucí deskou, z úseku volného kanálu před vlastním modelem mostovky o délce 5,3 m a z odtokového kanálu, do kterého vytékala voda o volné hladině [7].

Vlastní model zkoumané mostovky byl vyroben v měřítku 1:12,5 z PVC (Obr. 2). Pro měření složek hydrodynamického zatížení byly použity 4 siloměrné snímače. Pro nastavení vzdálenosti mostovky s měřícím zařízením ode dna žlabu byl vytvořen rám se závitovými tyčemi a ocelovými lanky. [7].

Siloměrné snímače byly kalibrovány tak, aby měřené silové složky ve svislém směru udávaly hodnoty po odečtení příslušné hydrostatické vztlakové síly Fvz pro dané relativní zaplavení mostovky h*.

Obr. 2 Nosný rám se siloměrnými snímači a modelem obdélníkového mostu

a)

b)

145


4 NUMERICKÝ MODEL

Pro řešení dané problematiky byl nově sestaven 3D model turbulentního proudění vody s volnou hladinou. Vliv turbulencí na vlastnosti proudění byl modelován k-ε modelem. Volná hladina byla trasována pomocí metody VOF (Volume of Fluid).

Pro výpočet byl zaveden předpoklad ustáleného proudění (při aplikaci metody VOF pro nalezení volné hladiny je doporučeno aplikovat model neustáleného proudění s dostatečně dlouhou dobou simulace tak, aby výpočet konvergoval do ustáleného stavu), dno náhradní oblasti a mostovka byly uvažovány v konkrétních rozměrech s hladkou stěnou a bylo uvažováno neprovzdušněné proudění nestlačitelné kapaliny s konstantní viskozitou.

Řešení úlohy turbulentního proudění ve smyslu Reynoldsova pojetí turbulence spočívá v nalezení 6 neznámých veličin, kterými jsou střední hodnoty složek vektoru rychlosti vx a vy, střední hodnota tlaku p, kinetická energie turbulence k, disipace kinetické energie turbulence ε a objemová frakce F [8], [6].

Matematický model popisující řešené proudění sestává z rovnic vyjadřujících zákony zachování hmotnosti (rovnice kontinuity) a hybnosti (Navier - Stokesovy rovnice), které jsou doplněny o dvě rovnice k-ε modelu turbulence, rovnici metody VOF (hledání hladiny) a konstitutivní vztahy [8], [6].

Řídící rovnice matematického modelu je nutno doplnit počátečními podmínkami (PP), které popisují stav v čase t = 0 a okrajovými podmínkami (OP), které udávají hodnoty neznámých veličin na hranicích náhradní oblasti (Obr. 3).

Geometrie numerického modelu a numerické simulace byly realizovány pomocí komerčně dostupného programu FLOW 3D 11.04. Pro řešení řídících rovnic program používá metodu konečných objemů.

Rozměry náhradní oblasti byly převzaty z již provedených 2D numerických simulací [6], kde byly voleny tak, aby OP na hranicích neovlivňovaly proudění okolo mostovky. Délka přítokové části náhradní oblasti byla volena 46,73 m (2/3 celkové délky náhradní oblasti), aby byl eliminován vliv zadané konstantní rychlosti na vtoku a zajištěn ustálený tvar rychlostního profilu před mostní konstrukcí. Šířka náhradní oblasti b pro 3D simulaci byla uvažována 1,0 m. Geometrie náhradní oblasti, OP a PP jsou patrné z Obr. 3, navíc byla na bočních stěnách oblasti zvolena OP symetrie.

Obr. 3 Geometrie náhradní oblasti s vyznačením počátečních (PP) a okrajových (OP) podmínek a kladné konvence horizontální složky hydrodynamického zatížení Fx

Náhradní 3D oblast byla prostorově diskretizována výpočtovou sítí prvků ve tvaru kvádrů. Velikost prvků byla volena s ohledem na celkové rozměry oblasti, na přesnost výpočtu a nároky na výpočtový čas. Velikost prvků se pohybovala od 0,06 m do 0,5 m, v okolí mostovky bylo provedeno zjemnění výpočtové sítě (viz Obr. 4). Na povrchu mostovky byl zaveden předpoklad nulové rychlosti proudění čímž byla zohledněna existence mezní vrstvy [8].

146


Obr. 4 Prostorová diskretizace náhradní oblasti v okolí mostovky

Počáteční velikost časového kroku byla volena Δt = 1.10-4 s. Pro další časové kroky je v programu Flow 3D nastavena podmínka maximální hodnoty Courantova kritéria Cu ≤ 1,0 [8].

Na základě statistického zpracování hodnot horizontální složky hydrodynamického zatížení (síly Fx) vypočtené v každém časovém kroku simulace byla kvantifikována nejistota numerického výstupu na ± 4,0 % hodnoty Fx. Maximálního poměr 5 a 95 procentního kvantilu vypočtené síly Fx je 1,15. Na základě těchto výsledků lze minimální čas simulace pro tento model doporučit 200 s a pro další zpracování použít střední hodnotu Fx z posledních 50 s simulace.

Verifikace modelu spočívala v porovnání dosažených výsledků 3D numerických simulací s daty naměřenými na fyzikálním modelu [7] v měřítku 1:12,5 a s výsledky 2D numerických simulací [6].

5 ZÁVĚR A DISKUZE VÝSLEDKŮ

Hodnoty tvarového součinitele CD získaného zpracováním výsledků 3D numerických simulací v programu Flow 3D byly porovnány s hodnotami získanými zpracováním měření na fyzikálním modelu zmenšeném v měřítku 1:12,5 [7] a dále s výsledky 2D numerických simulací v programu ANSYS Fluent [6]. Hodnoty tvarového součinitele CD v závislosti na relativním zaplavení mostovky jsou vyneseny na Obr. 5.

Obr. 5 Porovnání hodnot tvarového součinitele CD získaných vyhodnocením 3D numerických simulací s hodnotami měřenými na fyzikálním modelu a s výsledky 2D numerických simulací v programu ANSYS

Fluent v závislosti na relativním zaplavení mostovky h*

147


Na základě porovnání výsledků lze konstatovat poměrně dobrou shodu mezi výsledky 2D, 3D simulací i fyzikálního modelování v případě kosého mostu. U obdélníkového mostu je patrná odchylka 2D a 3D modelu při hodnotě relativního zaplavení mostovky h* = 1,0, která může být způsobena numerickou nestabilitou výpočtu během 3D simulace.

Dále je z těchto výsledků patrný pozitivní vliv kosého tvaru mostovky, kde lze na základě hodnot CD očekávat snížení namáhání horizontální složkou Fx o více než 50 %.

Výsledky numerických simulací jsou zatíženy nejistotami plynoucími především z přijatých zjednodušujících předpokladů, aplikace OP, volby modelu turbulence, parametrů výpočtové sítě apod. Na základě porovnání s výsledky fyzikálního modelování lze v uvedených případech tyto nejistoty odhadnout v řádu 10 až 20 %.

V případech, kdy lze zanedbat vliv proudění vody okolo pilířů nebo zavázání mostu do břehu, lze pro stanovení hydrodynamického zatížení přelévané mostovky doporučit použití 2D numerických simulací ve vertikální rovině oproti časově náročnějším 3D simulacím.

Na základě porovnání výsledků numerických simulací s fyzikálním modelem lze konstatovat, že numerickou simulaci je možno použít pro stanovení střední hodnoty hydrodynamického zatížení přelévané mostovky a pro předběžnou optimalizaci tvaru mostovky. Atypické tvary mostovek je však vhodné ověřit měřením na fyzikálním modelu.

Poděkování

Příspěvek byl zpracován za podpory projektu Specifického výzkumu VUT v Brně č. FAST-J-17-4434 „Porovnání 2D a 3D numerických modelů při stanovení hydrodynamického zatížení přelévané mostovky“.


[1] Boor, B., Kunštátský J., Patočka C. Hydraulika pro vodohospodářské stavby: celost. učebnice pro vys. školy. 1. vyd. Praha: Státní nakladatelství technické literatury, 1968, 516 s.

[2] ČSN 75 0250. Zásady navrhování a zatížení konstrukcí vodohospodářských staveb. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2012.

[3] Jempson, M. Flood and Debris Loads on Bridges. The University of Queensland, Civil Engineering Department, 2000.

[4] Kerenyi, K., Sofu, T., Guo, J., Bushra, A. Hydrodynamic Forces on inundated bridge decks. Report No. FHWA-HRT-09-028. 2009.

[5] Malavasi, S., Guadagnini, A. Interactions between a rectangular cylinder and a free-surface flow. Journal of Fluids and Structures. November 2007.

[6] Pavlíček, M. Stanovení hydrodynamického zatížení přelévané mostovky s využitím 2D numerických simulací. Dipl. práce. Ústav vodních staveb FAST VUT v Brně. Brno, 2016.

[7] Dráb, A., Špano, M. DC 1- Realizace hydraulického modelu mostní konstrukce – dílčí zpráva VÝVOJ HYBRIDNÍHO ŽELEZNIČNÍHO MOSTU REZISTENTNÍHO V ZÁPLAVOVÝCH ÚZEMÍCH. Brno: Vysoké učení technické, Fakulta stavební, 2013.

[8] FLOW 3D v11.0.3 User Manual. Flow Science, Inc., 2014.

148


ASSESSMENT OF EXTERNAL INFLUENCES ON JOINT QUALITY OF ROOF WATERPROOFING FOIL BASED ON

MPVC

Ing. Marek Petro, PhD, doc. Ing. Matej Ivanko, PhD.

ABSTRACT

The statement deals with the research of how the technology used for single ply roofing membranes based on mPVC can influence the final quality of its joints. It is clear that any roofing company working with waterproofing membranes has its own processes and usage for waterproofing membranes. Besides, not all of the articles study all directions set by manufacturers. Depending on this, if we don’t take into account the quality of material and other factors, the quality and final lifetime of the single ply roof can vary. The article includes a description of how was the research was made, processes used and the conclusions which were found during the research.

Key words: mPVC, waterproofing membranes,

1 ISSUES WITH WATERPROOFING MEMBRANE INSTALLATION

Plastic membranes, especially mPVC-based ones, are not new in the construction market. However, we can still find faults during their application. For the sake of comparison, bitu-men strips installation consists of melting the strips onto the roof surface whereas the joints are done by melting the lower side of the strip, while the installation of plastic membranes is more complicated (Šveda, M. 2007). During the installation of plastic membranes there is a higher possibility of making mistakes both when applying the layers as well as joining in-dividual membranes at the joints. The process of membranes installation should begin with meteorological conditions assessment to ascertain if the environmental conditions are ap-propriate for such a type of plastic membrane in the first place. However, this step is usual-ly left out because of the investors´ pressure on the construction speed. That is why mem-branes are often installed during drizzles or low temperatures. Although manufacturers de-clare that their plastic membranes can be welded at up to -10°C they do not specify what risk could such environmental conditions incur.

One should pay all of his/her attention mainly at the process of welding and particular details during the installation. The most common way of joining mPVC-based plastic mem-branes and TPO is by hot air welding. Joints of PVC products are considered the strongest among all membranes (Björk, F. 1993). Less common but of high-quality are EPDM mem-branes. They can be pasted on a large area but it has to be a properly constructed solid base. The advantage of the pasted asphalt or EPDM membrane is that if the roof gets damaged, suffusion should occur where the leak is located. If the roof´s DPC is stabilized by anchor-age or by additional load, for example gravel, water can freely penetrate through the cover-ing layers and the suffusion can appear far from the spot of leakage. Another problem could lay in the so-called T-joints. This kind of joint consists of an additional membrane that overlaps the seam of two already welded membranes whereas at the meeting point of the three membranes a small canal may form. This spot can be a potential source of leakage of water under the roofing. It is therefore appropriate to thoroughly check this joint and rein-force it with a sealing compound. Another problematic detail could be the joints between the mPVC foil and PVC coated metal sheets which are typical on vertical surfaces (Gränne, F. & Björk, F. 2000). An important factor for proper welding of membranes can be attribut-ed to the welding machine and its settings i.e.

149


temperature, and in case of automatic welder, its speed. Manufacturers prescribe welding guide values for their products but these need to be adapted to the specific environmental conditions on sites.

Welding temperature is influenced by many factors, the main factors are:

- membrane type and manufacturer, the thickness of the membrane;

- welding speed;

- the type of welding device (hand welder or automatic welder);

- base and ambient temperature and humidity;

- wind speed, drizzle, rain, snow etc.

Real life cases have shown that not setting the right temperature is not as damaging for mPVC-based membranes as it is for the TPO-based membranes. PVC membranes can weld sufficiently well even if the welding temperature is fluctuant but only to a certain extent of course. We tried to verify these PVC-based membranes´ properties by testing their joints in a laboratory.

2 LABORATORY EXAMINATION OF WELDS MPVC-BASED WATERPROOFING MEMBRANE

The prerequisite for research of waterproofing membrane joints was to have the quality of their welding, and/or the actual weld itself, affected by the environmental conditions - tem-perature, humidity, wind, rain or snow. On construction sites today we get to see foil weld-ing at very low temperatures, during light rain and even snowfall. The producers themselves recommend that it is possible to weld membranes at temperatures down to about -5 to -10°C, whereas such unsatisfactory conditions have a major impact on the quality of welds. Unsuitable climatic conditions, especially ambient air temperature can be corrected by ad-justing the temperature on the welding machine. In order to determine the correct tempera-ture of the welding machine, trials should be performed and then by pulling the two mem-branes apart we can check if the temperature is correct (if there is a visible grid over the en-tire width of the torn joint, the temperature is correct). However, in most cases a trial such as this is not performed. Thus, the temperature used in welding has a major impact on the quality of joints.

For large dimension flat roofs modern automatic welding machines are used, which great-ly speeds up the whole process of waterproofing membrane welding. The automatic welding machine can have its welding temperature as well as welding speed adjusted. In an effort to speed up the work workers often set the automatic speed higher than what is specified by the manufacturer. This might also affect the final quality of the welds.

Another factor is how clean the membranes are at the point of their subsequent joint - weld. Provided that they are properly stored and all the procedures for installation are fol-lowed membranes should not get unclean on the site. However, due to the fact that con-struction sites have ongoing construction work done with dust produced, even the water-proofing membranes are exposed to various contaminants. Producers of membranes rec-ommend inspection of the purity of the welds before welding. If the membranes are dirty, dirt should be removed. For this purpose, water is used, but it is not very suitable. If it is dried insufficiently, the membrane may welded be badly. That is why so called cleaners - diluents-based cleaners- are produced especially for this purpose. As it was mentioned be-fore, workers often do not remove the dirt from the membranes, either because of financial or time-saving reasons.

150


Based on the above-mentioned assumptions, following methods of research were deter-mined:

1. Welding the membranes with automatic welding machine set at various temperatures

2. Welding joints of different level of cleanliness

3. Different working speeds of the automatic welding machine

2.1 Preparation of materials and samples

Before the actual welding of waterproofing membranes it was necessary to prepare material samples. Samples were obtained from the membranes in accordance with the standard STN 72 7652 (EN 13416), which defines the rules for obtaining samples from waterproofing membranes based on PVC. Standard waterproofing PVC-based membranes with thickness of 1.5 mm intended for installation of the single layer mechanically anchored waterproofing system were used for the research. These membranes are produced by modern technology of the two-sided application on supporting impregnated polyester plate by extrusion.

An undamaged waterproofing membrane was selected and taken from a warehouse where it was stored for the last 24 hours at a temperature of about 20°C (standard requirements are 20 ± 10°C). Subsequently, the roll was unfolded on a flat surface and pieces -samples- which did not contain any visible imperfections were cut. Next, these pieces were stored for over 20 hours in a room with a temperature of about 22°C (the standard requirement s are 23 ± 2°C). Each membrane was checked once again before welding as it is required by the standard STN EN 1850-2 (72 7642). Selected samples of membranes underwent visual in-spection from both sides for potential blisters, cracks, holes, scratches or sags. The pres-ence of bubbles or any dirt was checked on the section of each sample. After the inspection, the membranes were marked in the corner according to the method of research used.

2.2 Production of welded samples

An automatic welding machine Leister UNIROOF E was used for sampling. It had a welding nozzle attached capable of making 40mm-wide welds. The process of sampling was as fol-lows: at first, the membranes intended for welding were unfolded and spread on the welding surface and were left there for about 30 minutes. Subsequently, those surfaces of mem-branes intended for welding were cleaned using the specialized cleaner depending on the research method used. After the cleaner had dried out, the process of welding started. The following sets of samples were produced this way:

1.Welding of membranes where the variable factor was temperature

- samples had been cleaned by the cleaner prior to welding and the working speed of the welding machine was set to 2m/min.

This is how the sets of samples were produced:

1.A at +560°C

1.B at +540°C

1.C at +520°C

1.D at +500°C

1.E at +480°C

151


1.F at +420°C

2. Welding of membranes where the variable factor was the purity of joint

- samples were produced by welding at a temperature of 520°C and the working speed of the welding machine was set at 2m/min.


2.A - joint uncleaned, the membrane straight off the production line

2.B - joint cleaned with water, then dried

2.C - joint cleaned with cleaner (similar to 1.C)

2.D - joint cleaned with water, not dried (moist membrane)

3. Welding of membranes where the variable factor was the working speed of the auto-matic welding machine

- samples had been cleaned by the cleaner prior to welding and welded at a temperature of 520°C.

- speed range of this particular automatic welding machine is 2 to 5 m/min.


3.A - working speed 2m /min. ( similar to 1.C)

3.B - working speed 3.5 m/min.

3.C - working speed 5m/min.

The starting temperature of 520°C was selected because this temperature results in prop-er welding of two membranes. The actual welding was carried out in a closed hall with am-bient air temperature of 20°C. After the welding, welded membranes which were produced in the above mentioned way were left to sit for approximately 30 minutes. Subsequently, the process of testing welded samples was performed. These samples were subsequently tested to determine the shear resistance and the peel resistance of joints.

2.3 Sampling and testing:

10 individual strips with width of 5cm were taken from each type of welded and settled membrane which had been labeled according to its method of production. The strips were cut out with a knife with the help of a stainless template. The length of the samples was chosen to make it possible to grip the sample into the pliers of the tensile testing machine in a way that the membrane covers the entire surface of the clamps of pliers. At the same time, special attention was paid to make sure that the weld is right in the middle of the cut sam-ple.

The welds of waterproofing membranes can be assessed on the basis of two laboratory tests regulated by the standard. It is the test for determining the shear resistance of joints - STN EN 12317-2 and the test for determining the peel resistance of joints - STN EN 12316-2.

152


2.3.1 Determination of shear resistance of joints

Shear resistance is the maximum tensile force that can act on a sample before it is torn or separated on the joint. In this test, the samples (a total of 5 samples were tested in one set) were gripped into the pliers of the tensile testing device that operates by steadily pulling the sample and at the same time recording the progress of the acting force, until the failure of the sample occurs. It is important to ensure that the weld is right in the middle between the two clamps of the pliers. The distance between the clamps has to be 3-4 times the width of the joint, in this case 120mm. The scheme of the device with the clamped sample is shown in image no. 1.

Fig. 1 Test of shear resistance of joints, Source: STN EN 12317-2 (72 7639)

The device continuously records the pulling force up to the time of tearing or separation of the tested sample. The result is recorded in the form of a diagram which marks the course of acting of the force during the testing. After testing each individual sample a maximum tensile force - Fmax and the way of failure of the strip were recorded into the register. The average value was calculated from the five values of Fmax and the standard deviation was indicated.

2.3.2 Determination of peel resistance of joints

Peel resistance test is fundamentally the same as the shear resistance test differing only in gripping the sample into the tensile testing device in regard to the made weld. This test is stricter than the tensile test. The sample must be made in a way to make it possible to grip the sample into clamps of the testing device as shown in mage no.2. The evaluation of the results is different as well, since there may be three different types of failure to the sample: a) membranes can be separated without breaking their surfaces; b) one of the strip is torn outside the joint; c) the sample is damaged, there is a visible grid in the joint (Image no. 3). The evaluation of such damaged samples has to be carried out according to the standard STN EN 12316-2.

153


Fig. 2 Preparation of the test strip and testing of peel resistance of joints, Source: STN EN 12316-2 (72 7638)

Fig. 3 The modes of sample failure in peel resistance test, Source: STN EN 12317-2 (72 7639)

2.4 Evaluation of measured results of shear resistance of joints and peel resistance

As it is indicated by the measured results, mPVC-based membranes have a certain range of temperatures at which it is possible to make a weld of a good quality ( see Table 1). At the temperature of 420°C (1.F) the values of strength of joints were not satisfactory in terms of peel resistance. It is also evident from the above-mentioned statistics that those joints which showed low values in the peel resistance test, had values for shear resistance test un-changed in comparison to joints of correctly welded membranes. It means that the joint which is under the shear stress can withstand more than the same joint under the peel stress. Next, it was proven that if workers increase the workings speed of an automatic welding machine, it has a negative impact on the quality of the joint. A joint made at a higher speed does not have to withstand the stress to which the membrane is exposed on the roof struc-ture. Cleaning the surface of the welded membranes did not affect the quality of the weld. An uncleaned joint showed the same values as a joint cleaned with the cleaner. However, we have to bear in mind that this joint was not exposed to a potentially polluted environ-ment of an actual construction site.

154


Tab. 1 Evaluation of measured results shear resistance of joints and peell resistance

3 LABORATORY EXAMINATION OF WELDS MPVC-BASED WATERPROOFING MEMBRANE

This article discusses the issue of mPVC-based waterproofing membranes and describes an experiment which aimed at determining the quality of joints made with various factors in laboratory conditions. The assumption from the practice that mPVC-based membranes are made of a material which is easy to work with in all environmental conditions was also con-firmed. The quality of the joints of mPVC-based membranes tends to be good even if weld-ing takes place in non-ideal conditions, such as bad environmental conditions or human er-rors but of course only up to a certain extent. This does not mean that we can fully rely on the quality of the material of mPVC membranes. It is necessary to constantly monitor the accuracy of the technology and installation processes given by the manufacturer. The quali-ty and functionality of a building really depends on quality of the roof structure. That is why special attention has to be paid to the technological discipline during the installation process and individual steps have to be checked on a regular basis.

Literature

[1] Šveda, M. 2007. Hydroizolácie na báze asfaltov, Slovenská technická Univerzita, Bratislava: 2007. 56-72p. ISBN 978-80-227-2596-5.

[2] Björk, F. 1993. Single-ply roof coverings on flat roofs, Geotechnical engineering for the preservation of monuments and historical sites; Proc. intern. symp., Volume 7, Number 4, 249-251 p.List of literature

155


[3] Gränne, F. & Björk, F. 2000. Joints between roofing felt and sheet metal flashings, short-and long-term tests, Construction and Building Materials 14: 21-35.

156


TECHNOLOGICKÉ ASPEKTY MIMOSTAVENISKOVEJ DOPRAVY ČERSTVÉHO BETÓNU

TECHNOLOGICAL ASPECTS OF READY – MIX CONCRETE TRANSPORT

Ing. Lukáš Prokopčák, PhD., Ing. Katarína Prokopčáková, PhD.

ABSTRACT

Mimostavenisková doprava čerstvého betónu predstavuje dodanie čerstvého betónu na stavenisko z betonárne, a to pri zachovaní kvalitatívnych parametrov výslednej konštrukcie, stavebného diela. Táto úloha je splnená len vtedy, ak je zachovaná akceptácia technologických požiadaviek na kvalitu hotového produktu.

Kľúčové slová: Mimostavenisková doprava, spracovateľnosť betónu, dopravná vzdialenosť

ABSTRACT

The ready-mix concrete transport is delivering of fresh concrete plant, while preserving the qualitative parameters of the final construction, the building works. This task is can be fulfilled only when we accept technological requirements for the quality of our final product Key words: ready-mix concrete transport, workability of ready mix concrete, transport distance

1 ÚVOD

Výstavbový proces je zložitý proces, ktorý prebieha na konkrétnom mieste, v konkrétnych podmienkach, vyžaduje symbiózu širokého okruhu profesií a musí vychádzať z konkrétnych požiadaviek na výsledný produkt a zároveň musí zohľadňovať požiadavky legislatívy, technických noriem, prípadne aj iných požiadaviek spoločnosti ako ochrana životného prostredia, ochrana zdravia, bezpečnosť práce, energetická náročnosť a pod. Takýto proces treba potom chápať komplexne a nie je možné pri rozhodovaní brať do úvahy len jedno, prípadne viacero hľadísk bez poznania vzájomného spolupôsobenia rozhodovacích kritérií. Betonárske procesy (súčasť doprava čerstvého betónu) vyžadujú akceptáciu technologických požiadaviek na kvalitu hotového produktu a zároveň tieto požiadavky majú priamy vplyv na ekonomické ukazovatele procesu. 2 TECHNOLOGICKÉ ASPEKTY MIMOSTAVENISKOVEJ DOPRAVY

ČERSTVÉHO BETÓNU.

Technologické aspekty predstavujú predovšetkým splnenie podmienok technických noriem. Všeobecne platí požiadavka, aby sa čerstvý betón vyrobil, dopravil a spracoval do začiatku tuhnutia, čo je závislé od mnohých faktorov, ku ktorým patria predovšetkým [1]:

• vlastnosti čerstvého betónu - druh a trieda použitého cementu, vodný súčiniteľ, použité prísady a prímesy,

157

2

• teplota prostredia - pri miešaní, doprave, spracovaní čerstvého betónu, • doprava a manévrovanie – z betonárky po komunikáciách k miestu určenia, po stavenisku,

o časové faktory – čas miešania a plnenia bubna domiešavača, čistenie bubna, čas spracovania (zhutňovania) čerstvého betónu.

• Ustanovenia normy okrem iného hovoria : • Počas nakladania, dopravy a ukladania treba minimalizovať škodlivé zmeny čerstvého betónu,

ako sú segregácia, odlučovanie vody, strata cementového tmelu, zmena konzistencie atď. • Čerstvý betón sa nesmie znečistiť alebo znehodnotiť poveternostnými vplyvmi.

Z uvedeného je zrejmé, že ide o funkciu priameho prepojenia vlastnosti čerstvého betónu, dopravných prostriedkov, poveternostných a iných vplyvov (životné prostredie a bezpečnosť pri práci).

2.1 Vlastnosti čerstvého betónu

Vlastnosti čerstvého betónu sú odrazom požiadavky funkcie, ktorú bude betónová konštrukcia v stavebnom objekte plniť a zároveň akceptuje aj vplyvy vonkajšieho prostredia, ktorému musí počas životnosti odolávať. Požiadavky na čerstvý betón - podrobné zásady návrhu sú obsiahnuté v európskej norme STN EN 206: Betón, časť 1: Špecifikácia, vlastnosti, výroba a zhoda.. Definované sú vlastnosti ako :

§ spracovateľnosť - komplexná reologická (opisná) vlastnosť zahrňujúca súbor čiastkových vlastností, ako sú :

o miešateľnosť, dopravovateľnosť, ukladateľnosť, tvárnosť, pohyblivosť, zhutňovateľnosť, plastickosť, súdržnosť a tuhosť

Dôležitým parametrom z hľadiska spracovania betónu je čas začiatku tuhnutia cementového tmelu. V zmysle STN EN 196-3 : „pojmom čas začiatku tuhnutia sa rozumie doba, ktorá uplynie od prvého kontaktu cementu s vodou až do nadobudnutia pevnosti cementového tmelu v tlaku 0,5 MPa. Čas začiatku tuhnutia vyjadruje aj začiatok výraznej straty plasticity cementového tmelu v dôsledku formovania hydratačných produktov a väzieb medzi nimi navzájom i na rozhraní cementový tmel a kamenivo“. Čas začiatku tuhnutia sa stanovuje pre každý druh aj triedu cementu zvlášť a to s presnosťou na jednu minútu .

2.2 Teplota prostredia

Ako bolo už v predchádzajúcich statiach konštatované - podľa ustanovení STN EN 206 platí : „teplota betónu pri dodaní nesmie prekročiť +30 °C. Pri masívnych konštrukciách sa odporúča zohľadniť vývin hydratačného tepla. Pri teplote vzduchu medzi +5 °C a -3 °C nesmie teplota betónu pri dodaní poklesnúť pod +5 °C. Teplota betónu nesmie klesnúť pod +10 °C, ak je obsah cementu v betóne menší ako 240 kg/m3 alebo ak sa použil cement s nízkym hydratačným teplom. Pri teplote vzduchu pod -3 °C musí byť teplota betónu pri dodaní najmenej +10 °C. Ak sa vyžaduje iná minimálna teplota betónu alebo naopak maximálna teplota, treba ju uviesť s dovolenými odchýlkami“. Letné obdobie - teplota betónu pri dodaní nesmie prekročiť +30 °C. Doprava čerstvého betónu v letnom období má byť plynulá, bez prestojov, tak aby sa betón dostal v čo najkratšom čase do debnenia. Zimné obdobie - Podľa STN EN 206 Teplota betónu, musia byť splnené tieto požiadavky na teplotu čerstvého betónu a to „pri teplote vzduchu medzi +5 °C a –3 °C nesmie poklesnúť teplota betónu pri dodaní pod +5 °C. Teplota betónu nesmie poklesnúť pod +10°C ak je obsah cementu v betóne menší ako 240 kg/m3 alebo ak bol použitý cement s nízkym hydratačným teplom. Pri teplote vzduchu pod -

158

3

3°C musí byť teplota betónu pri dodaní najmenej +10 °C“. Doprava čerstvého betónu pri nízkych teplotách musí byť taktiež plynulá, bez čakania na vyprázdňovanie domiešavačov.

2.3 Mimostavenisková doprava čerstvého betónu

Doprava predstavuje dôležitý článok efektívnosti výstavbového procesu, pretože nepravidelný, oneskorený zásobovací cyklus na stavbe môže spôsobiť prerušenie stavebných prác (konkrétne betonáže), s čím súvisia aj organizačné zmeny na stavenisku - prestoje pracovníkov a zariadení, zmena kvalitatívnych parametrov dodávaného materiálu a pod.. Organizačné opatrenia predstavujú aj dôkladné zadefinovanie zásobovanie stavby – dopravné trasy a pri betonárskych procesoch je to o to dôležitejšie, pretože dopravný proces je podmienený špecifickými vlastnosťami čerstvého betónu [2]. Plynulosť dopravy je závislá na :

• parametroch dopravných prostriedkov - kapacita, výkonnosť, rýchlosť presunu, emisie..., • umiestnení betonárky a staveniska - vzdialenosť, • dopravnej situácii. • vzdialenosť betonárky – jej možnosť výberu pre konkrétnu stavbu, • poveternostné vplyvy, • komunikácie v okolí a ich priechodnosť v čase, • samotné dopravné prostriedky určené pre prepravu čerstvého betónu a pod.

Pri doprave čerstvého betónu v priestore je potrebné uvažovať aj s hodnotami, ktoré sa dajú vopred definovať a niektoré majú náhodilý charakter a ich určenie predstavuje komplikovaný proces [3]. Tu je na mieste aspoň niektoré, ktoré nie je možné opomenúť, a to :

• priechodnosť križovatiek, • typ komunikácie – cesta 1.tr., 2.tr.,......, • povrch komunikácie – asfaltový, betónový povrch, nespevnené a spevnené povrchy, • poveternostné podmienky – dážď, poľadovica,....., • technický stav stroja a jeho poruchy, • ľudský faktor.

Prejavy vplyvov na dopravu čerstvého betónu sú vyjadrené v koeficientoch, ktoré sú výsledkom štúdií stavebných firiem, údajov získaných snímkovaním v konkrétnych podmienkach a predstavujú :

• vplyvy počasia kpo • vplyvy vonkajšej teploty kt • koeficient povrchu komunikácie (cesty) kpc • koeficient životnosti stroja kž • koeficient vplyvu kvalifikácie kk • koeficient vplyvu organizácie práce kč • koeficient priechodnosti križovatiek kpk

Pri akceptácií všetkých požiadaviek a vplyvov je výsledkom vzťah pre určenie dopravnej vzdialenosti (dopravné trasy) z miesta výroby a miesta zabudovania čerstvého betónu [4]. SB-S = Td . (v. kpo. kt..kpc. kž. .kk .kč . kpk) [km] kde : Td maximálny disponibilný čas na dopravu (transport) v priemerná rýchlosť dopravného prostriedku [km.hod-1] Z takto získanej hodnoty - dopravnej vzdialenosti medzi betonárkou a stavbou je možné určiť:

1. Dopravný rádius stavieb zásobovaných z konkrétnej betonárky.

159

2. Dopravný rádius zásobovania stavby čerstvým betónom z disponibilných betonárok.

2.4 Ochrana životného prostredia

Samotná ekológia predstavuje parciálnu časť v mnohých vedných disciplínach a má multidisciplinárny charakter. Postavenie v stavebnej výrobe má parciálny charakter a rieši sa pasívnymi opatreniami s cieľom dosiahnuť súlad s legislatívou a technickými požiadavkami (normami). Najväčší negatívny vplyv na samotné aspekty životného prostredia majú najmä stavebné stroje. Z uvedené je možné hovoriť, že povinnosťou účastníka výstavbového procesu je využívať všetky možné a dostupné prostriedky na ochranu životného prostredia tkz „ekologizáciu“. Príkladom je, ak sa stavebný projekt bude realizovať v zastavanom území, kde je presne definovaná prípustná hladina hluku. Ak projekt túto hladinu prekračuje, povinnosťou spracovateľa je vyriešiť tento problém a navrhnúť riešenie. Takýmto riešením môže byť obmedzenie doby nasadenia stavebných strojov (presné stanovenie času, kedy môžu pracovať), prípadne vybudovanie pomocných zariadení (bariéry) znižujúcich hladinu hluku. V rámci dopravy čerstvého betónu predstavujú negatívum predovšetkým :

• vplyv na ovzdušie (prašnosť) , • hluk a vibrácie, • pôda a zeleň (únik nežiadúcich látok – zvyšky betónu, ropné látky) • ochrana zdravia pri práci.

Konkrétne opatrenia pre konkrétny proces predstavujú: • pri doprave čerstvého betónu, je najdôležitejšie udržiavať dopravný prostriedok v dobrom

technickom stave – pravidelný servis, technické kontroly, musí mať platnú STK a EK- zabezpečí sa zabránenie uvoľňovaniu emisií do ovzdušia, k úniku pohonných hmôt do pôdy a k nadmernému hluku,

• pri čistení stroja sa musí zabrániť úniku zvyškov betónu do pôdy, kanalizácie, podzemnej vody, a to tým, že čistenie bude prebiehať na vyhradenom mieste,

• oplotenie staveniska a kropenie staveniskovej komunikácie zabraňuje zvýšeniu prašnosti pri pohybe strojov po stavenisku.

Opatrenia predstavujú technickú náročnosť a samozrejme sú funkciou nákladových položiek, ktoré priamo úmerne vplývajú na efektívnosť výstavby.

2.5 Bezpečnosť a ochrana zdravia pri práci Mechanizované stavebné procesy patria k rizikovým činnostiam v rámci výstavbového procesu, a preto majú svoje adekvátne postavenie v riešení problematiky BOZP. To platí aj o betonárskych procesoch, kde je potrebné rešpektovať určité zásady, ktoré vychádzajú z požiadaviek legislatívy, technických noriem, tak aby bola zabezpečená bezpečnosť a ochrana zdravia pracovníkov pri práci. Dodržanie týchto opatrení predstavuje zvýšenie nákladov na organizačné opatrenia súvisiace s výstavbou. Je nutné poznamenať, vo výstavbovom procese platí všeobecná zásada „ radšej predchádzať nebezpečným a kolíznym situáciám, ako riešiť následky“. Podstatou takéhoto prístupu k BOZP je zaujatie stanoviska organizácie k dodržiavaniu povinností vyplývajúcich z legislatívnych predpisov. Na základe uvedeného vzniká rozhodnutie, či sa bude investovať do prevencie alebo do nápravy neželateľných škôd.

160


3 ZÁVER

Stavebno - technologická príprava má svoje postavenie vo výstavbovom procese a jej výsledkom je efektívna výstavba. Rozhodovaniu o spôsobe výstavby musí predchádzať dôkladná analýza, ktorý vyústi to konkrétneho riešenia. Návrh optimálneho spôsobu zásobovania (dopravy) stavby čerstvým betónom musí akceptovať všeobecné podmienky výstavby s dôrazom na konkrétnosti a obmedzujúce parametre, ktoré vyplývajú z realizovaného procesu . V prvom rade je to doba (čas) transportu, ktorá je závislá na čase tuhnutia betónu a v modeli vychádzam z predpokladov presnej špecifikácie objednávky dopravy čerstvého betónu – trieda betónu (zložiek čerstvého betónu), jeho vlastnosti a tým aj určenie doby spracovania – uloženia čerstvého betónu do pomocnej konštrukcie (miesta zabudovania). Zároveň sú plne akceptované vyhlášky cestnej dopravy. Ostatné vplyvy, ktoré pôsobia na samotnú dopravu, sú premietnuté do technických parametrov stroja a sú vyjadrené deterministicky pomocou koeficientov. Tieto koeficienty je možné získať snímkovaním, štúdiami výrobcov strojov a stavebných firiem zabezpečujúcich aj dopravu čerstvého betónu. Príspevkom bolo poukázané na fakt, že účastník výstavbového procesu môže využívať zdroj v zásobovaní v takom rozsahu, ktorý rešpektuje v prvom rade technologické vlastnosti čerstvého betónu a tak aj volí výber miesta výroby čerstvého betónu. V neposlednom rade dôraz kladie aj na ostatné parametre ako životné prostredie, bezpečnosť pri práci a hlavne na ekonomické parametre.

Použitá literatúra [1] BAJZA, A., ROUSEKOVÁ, I. : Technológia betónu . Jaga Group s.r.o., Bratislava 2006,

ISBN 80-8076-032-2. [2] BRIATKA, P. – ŠTEFÁNIK, L. – MAKYŠ, P.: Mimostavenisková doprava čerstvého betónu

a vplyv teploty prostredia. BETON TKS 4/2009, Praha, 2009, str. 50-54. [3] HULÍNOVÁ, Z. : Modelovanie stavebných procesov. Modelovanie v čase. Bratislava: STU

v Bratislave, 2009. 80 s. ISBN 978-80-227-3160-7. [4] PROKOPČÁK, L.: Optimalizácia pri modelovaní mimostaveniskovej dopravy čerstvého

betónu z hľadiska efektívnosti výstav, dizertačná práca Bratislava, 2017.

161


EFEKTÍVNOSŤ VÝSTAVBY A MIMOSTAVENISKOVÁ DOPRAVA ČERSTVÉHO BETÓNU

BUILDING EFFICIENCY AND READY – MIX CONCRETE TRANSPORT

Ing. Katarína Prokopčáková, PhD., Ing. Lukáš Prokopčák, PhD.

ABSTRAKT

Efektívnosť, zjednodušene, spočíva v úsilí o dosiahnutie maximálnych výsledkov s vynaložením minimálneho množstva spoločensky nutnej práce. Mimostavenisková doprava čerstvého betónu - ako súčasť výstavby - predstavuje dodanie čerstvého betónu na stavenisko z betonárne, a to v požadovanej kvalite. Táto úloha je splnená len vtedy, ak je zachovaná akceptácia technologických požiadaviek na kvalitu hotového produktu, ktoré sú v priamej väzbe s ekonomickými požiadavkami. Práve prepojenie technologických požiadaviek a ekonomických kritérií vyústi do optimalizácie mimostaveniskovej dopravy čerstvého betónu z hľadiska efektívnosti výstavby.

Kľúčové slova: Mimostavenisková doprava, stavebné náklady, efektívnosť výstavby

ABSTRACT

This is based by the effort to achieve maximum results with smallest possible quantity of social necessary labor. Ready-mix concrete transport as part of the constructions is delivering of fresh concrete in the required quality to the construction site from the concrete plant. This task is can be fulfilled only when we accept technological requirements for the quality of our final product, which is in agreement with the environmental requirements. Only symbiosis of technological requirements and economic criteria can result in optimization of ready-mix concrete transportation – in terms of efficiency. Key words: ready-mix concrete transport, construction costs, building efficiency

1 ÚVOD

Každý účastník výstavbového procesu presadzuje svoje ciele pri realizácií diela, ale v konečnom dôsledku ide o dosiahnutie maximálnej efektívnosti výstavby. Efektívnosť výstavby je zadefinovaná stavebnou firmou ako úsilie dosiahnuť maximum výsledkov s vynaložením minimálneho množstva spoločensky nutnej práce. Tento cieľ je neodmysliteľne spojený s využívaním nástrojov modelovania stavebných procesov najmä z hľadiska technologického i ekonomického. Prax dokazuje, že problematika nie je riešená komplexne. Problematike modelovania výstavbového procesu z hľadiska technologického je podstatne viac venovaného priestoru ako z hľadiska ekonomiky. Nedostatky sú v plánovaní finančných prostriedkov, čoho dôkazom sú tzv. „dodatky“ k zmluvách, prekračovanie plánovaných cien výstavby a pod. tento jav badať aj pri betonárskych procesoch. Stavebná firma vzhľadom na svoju konkrétnu štruktúru stavebných procesov (strojov, pracovníkov, materiálov atď.) si môže voliť spôsob výstavby. Firma zvažuje svoje možnosti realizácie prác z hľadiska disponibilných zdrojov, volí technologické postupy, pričom pravdepodobne zvolí najhospodárnejší postup z vlastného pohľadu. Stavebníka skôr zaujíma, v akom množstve a kvalite je príslušný stavebný výkon dodaný pri dohodnutej cene a nezáleží mu na tom, akým spôsobom ho stavebná organizácia uskutoční. Zhotoviteľ má zas na pamäti realizáciu čo najhospodárnejšieho riešenia. Voľba hospodárnejšieho spôsobu môže byt výsledkom aj modelovania výstavbových

162


procesov pomocou optimalizácie, ktorá umožní zhotoviteľovi zvyšovať rentabilitu a rast zisku stavebnej firmy – efektívnosť výstavby. 2 MIMOSTAVENISKOVÁ DOPRAVA ČERSTVÉHO BETÓNU Z HĽADISKA

EFEKTÍVNOSTI VÝSTAVBY.

Pre skúmanie daného problému ako prioritná efektívnosť sa stáva relatívna efektívnosť, ktorá porovnáva varianty realizovaného stavebného procesu, ktoré zabezpečia rovnaký užitočný efekt, líšia sa však nákladom spoločensky nutnej práce vynaloženej na proces [1]. Označenie hodnotenia efektívnosti bude vychádzať z predpokladu výrokov optimalizácie a to - minimálne náklady variantného riešenia.Základná funkcia optimalizácie je uplatnená aj pri realizácií mimostaveniskovej dopravy čerstvého betónu t.j. zabezpečiť dodávku čerstvého betónu pre miesto odberu rôznymi variantmi dopravy, ktoré sa v konečnom dôsledku líšia nákladom spoločensky nutnej práce vynaloženej na tento proces.

2.1 Náklady mimostaveniskovej dopravy čerstvého betónu.

V rámci betonárskych procesov je výsledný produkt hotová betónová konštrukcia, ktorá je daná projektom a pre jej realizáciu možno voliť rôzne spôsoby. Spolupráca technológa a ekonóma je založená na dosiahnutí cieľa - voliť optimálnejšiu formu realizácie, ktorá vedie k efektívnosti výstavby. Samotná efektívnosť spočíva v dosiahnutí optimálnych nákladoch [3]. Nie všetky optimálne náklady sú vždy minimálne. Štruktúru nákladov na stavebné práce a dodávky vyjadruje kalkulačné členenie nákladov :

• náklady na priamy materiál, • náklady na priame mzdy výrobných robotníkov, • náklady na stroje a obsluhu, • ostatné priame náklady zhotoviteľa, • výrobná réžia zhotoviteľa, • správna réžia zhotoviteľa, • započítaný zisk (kalkulovaný zisk).

Možnosti kalkulácie nákladov na mimostaveniskovú dopravu sú : • započítanie v spriemerovanej výške v nákladoch na materiál, • zakalkulovanie v kalkulačnej položke „ostatné priame náklady“ ako samostatná položka

„mimostavenisková doprava“, • kalkulovanie ako súčasť obstarávacej prirážky na materiál, do kalkulačnej položky

„náklady na prevádzku stavebných strojov a zariadení“ • ak z predpokladanej zásobovacej situácie konkrétnej stavby sa ukáže, že dopravné

podmienky sú výrazne odlišné oproti údajom premietnutým do nákladov na mimostaveniskovú dopravu materiálu v orientačných cenách – dopočíta sa rozdiel skutočných dopravných nákladov (zvýšenie alebo zníženie) do nákladov na materiál alebo osobitne.

Prax ukázala, že dopravné náklady, ktoré zahŕňajú náklady na mimostaveniskovú dopravu, je optimálne a objektívne stanoviť individuálne, na základe individuálneho rozboru dopravnej situácie a je možné ich oceniť :

• na základe dostupných orientačných sadzieb na dopravu, • na základe taríf cestnej resp. železničnej nákladnej dopravy, príp. sadzbami dopravcu,

163


• individuálnou kalkuláciou. Avšak všetky tieto možnosti neodrážajú skutočnú realitu, nezohľadňujú konkrétne podmienky nasadenia strojov, priestoru, technológie realizácie procesu. Potom možnosť, ba až nutnosť stanovenia výšky nákladov na mimostaveniskovú dopravu individuálnou kalkuláciou sa javí ako optimálna, lebo zohľadňuje špecifiká konkrétnej dopravnej situácie a podmienok dopravy čerstvého betónu, organizácie práce, technického stavu stroja a pod. Z uvedeného vyplýva požiadavka spolupráce technológa a ekonóma, aby boli zohľadnené všetky vplyvy pôsobiace na samotnú mimostaveniskovú dopravu čerstvého betónu.

Betón Priamy materiál + Stavebné stroje Priame mzdy + Klimatické podmienky Náklady na stroje + Dopravné trasy Ostatné priame náklady + OŽP Nepriame náklady + BOZP Zisk

Obr.1 Kalkulácia nákladov na mimostaveniskovú dopravu čerstvého betónu podľa typového

kalkulačného vzorca v závislosti na technologických parametroch (Prokopčák 2017, s.75) Pri kalkulovaní stavebných prác a nevynímajúc betonárske procesy, je dôležitá znalosť podmienok realizácie betonárskeho procesu, je vhodné spojenie technológa a ekonóma v jednej osobe, prípadne úzka spolupráca technológa a ekonóma. . Kalkulácia mimostaveniskovej dopravy čerstvého betónu zohľadňuje fakt, že náklady na samotný materiál sú kalkulované samotným dodávateľom, výrobcom čerstvého betónu. Mimostavenisková doprava čerstvého betónu je potom odrazom nákladov priamo súvisiacich s dopravou od výrobne na miesto odberu a nákladov vznikajúcich ako dôsledok vplyvu parametrov na dopravu. Výsledný tvar nákladov na mimostaveniskovú dopravu ČB (Prokopčák 2017, s.82)

Ncelkom = Nd + Nv,n + Nkl + NOŽ + Z (NBOZP) [€]

kde : Dopravné náklady Nd

Náklady súvisiace s nakládkou a vykládkou Nv,n

Náklady v súvislosti poveternostných (klimatických) vplyvov Nkl

Náklady OŽP –NOŽ

Náklady BOZP Zisk – Z a náklady vyplývajúca z bezpečnostných predpisov NBOZP.

164


2.2 Model mimostaveniskovej dopravy čerstvého betónu a efektívnosť výstavby

Podstatou prístupu k hodnoteniu efektívnosti je postoj organizácie k dodržiavaniu základných technologických vlastnosti stavebného procesu a ekonomických vyjadrení tohto procesu. Na základe tohto postoja vzniká rozhodnutie ako sa daný proces bude realizovať, aký variant dopravy bude zvolený. Podmienky variantu, v ktorom sa realizuje systém dopravy, môžu byť rôzne a z toho vyplýva aj rôznorodosť ekonomických variantov. Aby tento predpoklad bol preukazný, vstupuje do úvahy nutnosť presnej špecifikácie nákladových položiek každého konkrétneho variantu. V predchádzajúcej časti boli zadefinované variantné riešenia v závislosti na technologických požiadavkách. V týchto variantoch môžu nastať zmeny, ktoré majú vplyv na ekonomické parametre a to sú napríklad [4] :

• zmena triedy čerstvého betónu – zmena času tuhnutia , dopravné trasy, • zmena typu stroja (iný objem pracovného náradia, iný výkon motora – rýchlosť stroja), zmenu

parametrov stroja (technické parametre stroja.), • rôzne spôsoby zaobstarania dopravných prostriedkov, • rôzne prevádzkové podmienky - terénu, klimatické podmienky, • zvýšené nároky na vybudovanie pomocných zariadení, • požiadavky na ochranu životného prostredia , bezpečnosť pri práci, • rôzne požiadavky na kvalitu výsledného produktu.

Pri výbere jednotlivých variantov, technologické parametre dostačujúco nevypovedajú o možných dôsledkoch. Vo väčšine prípadov sa preto musia tieto transformovať na ekonomické, aby sme mohli posúdiť účinnosť čiastkových opatrení na celkové riešenie preukázaním alebo porovnávaním hospodárnosti [5]. Takéto rozbory prispievajú k tomu, že optimálne čiastkové a konečné výsledky dosiahneme s čo najmenším vynaložením prostriedkov. Výslednú nákladovú rovnicu tvorí súčet nákladov vstupujúcich do jednotlivých variant realizovania mimostaveniskovej dopravy čerstvého betónu. Vzájomný pomer nákladov mimostaveniskovej dopravy nie je konštantný, ale sa mení v širšom rozpätí. Napr. veľmi premenlivá je obstarávacia hodnota stroja – závisí od spôsobu zaobstarania stroja, parametrov stroja - veku a s tým súvisiacich nákladov na údržbu a opravy stroja. Nový stroj máva vyššiu obstarávaciu cenu, prípadne stroj s vyšším výkonom motora má spravidla vyššiu rýchlosť pri preprave, skracuje sa čas dopravy a tým sa náklady znižujú. Aj nereálne skracovanie času (zvýšeným výkonom, nadčasmi, apod.) alebo nezosúladené predlžovania času realizácie výstavby, môže spôsobiť neúmerný rast nákladov. Preto je potrebné z uvedených dôvodov stanoviť konkrétne náklady i-tého variantu. Pre porovnanie vhodnosti toho ktorého variantu je možné použiť rôzne kritéria, ktoré nie vždy vyjadrujú charakter výsledného efektu. Efektívnosť sa stáva odrazom prostriedkov vložených do skúmanej činnosti a hodnotená je z hľadiska užitočnosti výsledku tejto činnosti. Podoby efektívnosti sú závislé od cieľov, ktoré sledujeme a ktoré chceme dosiahnuť. Spravidla ide o zisk – z toho vyplývajú aj kritériá hodnotenia - nákladové či ziskové kritérium, ktoré majú zistiť efektívnosť výstavby. Vo všeobecnosti môžeme tvrdiť, že efektívnosť je podiel dosiahnutého úžitku k nákladovej hodnote investície, ktorý by mal byť väčší ako 1. Pri realizácií betonárskych procesoch vieme zistiť nákladové položky realizácie betónovej konštrukcie (z rozpočtu), avšak nie je presne zadefinovaná položka dopravy. Predložený model umožňuje porovnať náklady, ktoré vzniknú na základe rôznych prístupov k mimostaveniskovej doprave čerstvého betónu, t.j. k naplneniu či prekročeniu stanovených cieľov. Náklady na jednotku produktu zostávajú rovnaké pri rôznych variantoch dopravy a vzniknutý rozdiel (ušetrenie prostriedkov pri optimálnom variante) sa stáva priamo funkciou zisku [4].

165


analýza vplyvov

analýza vplyvov

Mimostavenisková doprava čerstvého betónu

Technologické hľadisko

Ekonomické hľadisko

Dopravná vzdialenosť

Náklady celkom na dopravu čerstvého betónu

Optimálny variant mimostaveniskovej dopravy čerstvého betónu

Vlastnosti čerstvého betónu

Teplota prostredia

Doprava a manévrovanie

OŽP, BOZP

Dopravné náklady Nd

Náklady nakládky, vykládky betónu Nv,n

Náklady v súvislosti klimatick. vplyvov Nkl

Náklady OŽP NOŽ

Náklady BOZP, zisk Z NBOZP)

Súbor variantných riešení mimostaveniskovej dopravy čerstvého betónu

Efektívnosť výstavby

Ekonomické varianty dopravy čerstvého betónu

Technologické varianty dopravy čerstvého betónu

166


Obr.2 Model mimostaveniskovej dopravy ČB z hľadiska jej efektívnosti (Prokopčák 2017, s.86)

3 ZÁVER

O význame dôkladnej príprave výstavbového procesu sa presviedčame v každodennej stavebnej praxi. Prístup a koncept metodického postupu, ktorý je prezentovaný, by po rozsiahlejšom výskume, tvorbe databázy a vytvorení softwarovej aplikácie mohol slúžiť pri riadení mimostaveniskovej dopravy čerstvého betónu. Tu je na mieste poznámka apelovania na spoluprácu viacerých profesií vstupujúcich do výstavbového procesu a to predovšetkým technológa a ekonóma. Táto spolupráca je predpokladom komplexného riešenia, ktoré vyústi do efektívneho výstavbového procesu. Úloha technológa je jasná - špecifikácia vlastnosti čerstvého betónu a kvalitatívne požiadavky na hotový produkt. Zároveň ako vstupné údaje nie je možné opomenúť údaje týkajúce sa teploty vzduchu ako aj miesta výroby a miesta dopravy. Potom je možné s prípustnou mierou neistoty prehlásiť, či je tento betón pri daných podmienkach schopný dopraviť na stavenisko v konkrétnych dopravných vzdialenostiach a ak nie, aké opatrenia je nútený prijať. V uvedenom nie je premietnutá ekonomická náročnosť procesu. A práve v tomto okamihu vstupuje do úvahy práce ekonóma, ktoré pretransformuje technologické požiadavky do ekonomického vyjadrenia dopravy. Účastníci výstavbového procesu presadzujú každí svoje ciele pri realizácií diela, ale v konečnom dôsledku ide o rovnaký cieľ a to dosiahnuť maximum výsledkov s vynaložením minimálneho množstva spoločensky nutnej práce.

Použitá literatúra [1] ELLINGEROVÁ, H., Náklady a ceny v stavebníctve. Brno : Tribun EU, 2014. ISBN 978-80-

263-0557-6. [2] HULÍNOVÁ, Z. : Modelovanie stavebných procesov. Modelovanie v čase. Bratislava: STU

v Bratislave, 2009. 80 s. ISBN 978-80-227-3160-7. [3] PETRÁKOVÁ, Z.: Zisťovanie ekonomickej efektívnosti prostriedkov vynakladaných na

financovanie prípravy a realizácie technologických a priemyselných parkov, Konferencia so zahraničnou účasťou: Technologické a priemyselné parky ako nová možnosť rozvoja regiónov, Bratislava, 9.-10.11.2004, ISBN 80-969243-0-3.

[4] PROKOPČÁK, L.: Optimalizácia pri modelovaní mimostaveniskovej dopravy čerstvého betónu z hľadiska efektívnosti výstav, dizertačná práca Bratislava, 2017.

[5] WEISZER, M – FEDORKO, G. – MOLNÁR,V.- STROHMANDL,J. : Optimalization of parameterrs of transport systems using simulation methods. Tomas bata Univerzizy 2015 – 87.str. ISBN 978-80-7454-562-7.

167


CHOICE OF THE DESIGN RAINFALL FOR SEWERAGE ASSESSMENT USING ANALYTICAL TOOL DATER IN

SLOVAKIA

Ing. Dušan Rusnák, Ing. Mária Dubcová, Mgr. Mária Trošanová, doc. Ing Štefan Stanko, PhD.

ABSTRACT

Storm water management in urbanized areas is currently a global issue. In order to verify the correct functioning of the sewer networks and their objects, it is necessary to regularly assess their hydraulic capacity. Key of assessing the capacity of single and rainwater sewer networks is the calculation of the amount of surface runoff and the selection of a suitable design rainfall model. This article deals with the issue of effective decision making in the choice of the design rainfall for the hydraulic assessment of the sewer systems. DATER (decisive analytical tool for effective rainfall) was used as a analytical tool for rain analysis. This article incorporates case study in town of Vráble. During this research, several meteorological stations have been allocated in the area of interest in order to record actual rainfall data leading to its comparison with synthetic design rainfall.

Key words: analytical tool, design rainfall, sewer assessment

1 INTRODUCTION

The problem of storm water management is associated with sewer networks that are directly connected to the environment with combined sewer overflows. Hydrological and hydrodynamic models are used to verify the proper functioning of the sewerage network, but design rainfall is mostly chosen from one or very few measured rainfall. Therefore, design rainfall discharges may not sufficiently represent the real course and, also due to climate change over the last decade, the intensity of actual rainfall. Another factor in the assessment is the spatial variability of the area of interest (Peleg N., 2017),(Bruni G., 2015), in particular the size of the site, the slope of the area surface, the surface retention and other parameters that influence the formation of the sewer districts and the associated drainage curves.

2 DESIGN RAINFALL

When assessing single and rainfall sewer networks, sewage water flow is negligible at times of intense rain, and we use design rainfall to determine the design flow. For hydrodynamic modelling, it is also important to include the spatial variability of the territory reflected in the models by the time shift of the precipitation event within the single sewerage districts (McRobie F.H.,),(Ochoa-Rodriguez S., 2015). Due to the unpredictable nature of meteorological events, it is not always possible for the engineers to record a rainfall event for the selected interest area at a particular time period. An example is the recorded dry period of the last few years in Slovakia. For these reasons, often historical storm events in the models are replaced by mathematical rainfall, so the design rainfall can be easily categorized into 2 groups – i.e. historical and mathematical rainfall. Classification of mathematical rainfall according to their use in the design and assessment of sewer systems in Slovakia is possible in two sub-groups, namely synthetic and block rainfalls.

168


2.1 Historical rainfall

Historical rainfalls represent recorded storm events that were recorded during the review period in the area of interest. These storms are individually evaluated and further used in hydraulic sewage assessments, but also a long-term measurements can be used as continuous long-term simulation, including dry periods between storm events. The importance of historical rainfalls lies in their use in the calibration of hydrodynamic models of sewer networks. With the usage of meteorological devices suitably located on sewer system objects and their time correlation with rainfall data recorded in the area of interest, it is possible to modify the hydrodynamic model parameters to describe the actual state as close as possible.

2.2 Mathemtical rainfalls

When designing sewer networks with a rational method, we use block design rainfall due to the nature of their progression. Block rainfall has the simplest progression, yet it is furthest from real rainfall progression (Urcikán, P., 2004, p. 210-215). They have constant intensity throughout the duration. For assessing and designing sewer networks, block design rainfall needs to be converted using mathematical calculations into curve-shaped rainfall curves - they have a constantly decreasing intensity over time. In hydrodynamic models where we try to incorporate the time component of the initial surface runoff into the assessment, we reduce the curve by decreasing its initial intensity with respect to surface retention of the area and the runoff coefficient.

Synthetic rainfalls with time-varying intensities simulate the variable course of intensities in the time course of real storm event. Synthetic rainfall represents synthetic hyetograms in order to achieve more accurate solutions compared to more detailed computational methods that describe surface runoff and mathematically simulate non-stationary flow in the sewer network. The intensity profile depends mainly on the type of rainfall. The profile of synthetic rain characterizes its peak, which is defined as the ratio of the maximum intensity of synthetic rain and the average intensity related to the whole duration, as well as the time location of the peak intensity. Synthetic rainfalls can be categorized by individual authors and characterized by different curves of yield curves. Synthetic rainfalls embodied in the DATER program can be classified by their authors: Keifer and Chu, Huff, Šifalda and synthetic rainfall by Yen and Chow.

3 DATER

The DATER (Decisive Analytical Tool for Effective Rainfall) serves as an effective analytical tool for calculation and decision of design rainfall within the urbanized area, which serves as the basis for designing and assessing sewer networks and sewer objects on them. The program includes a comprehensive database of long-term measurements from 68 ombrographic stations in Slovakia, on which basis it is possible to plot the yield curves of block and synthetic design rainfalls for any location in Slovakia. The program was created using the built-in features of EXCEL and the Visual Basic for Applications (VBA) programming language to help the user evaluate the values user sets up and make immediate exports of data in PDF / XLS file formats. The DATER is divided into several worksheets, of which the main focus is on the summary of calculated data and rainfall curves that contain the calculated data of the selected design rainfall. Other sheets include data on historical rainfall, user defined rainfall, data export preview, and a list of calculated curve data, time dependence and design rainfall. After selecting the input data, the user calculates the curve data and program updates the calculated data and draws the rain curves. Tables and charts are dynamic and based on extensive work with pivot tables and charts.

169


The "SUMMARY" sheet includes basic data on calculated design rainfall, such as curve parameters “K”, “B” and “a” used for the calculation of each design rainfall curve, average and maximum rainfall intensities, maximum intensity location, and total surface runoff from area of 1 hectare.

The reason for the development of the program was to speed up the process of design rainfall calculation, in order to prepare it for their further use - in hydrodynamic models, and for this reason, extensive VBA scripts have been embedded in the program, which simply extract the required PDF and XLS data into separate files. This is the "EXPORT DATA" window that allows the user to select the desired export values. The user chooses the design rainfall/s, according to the periodicity and type of draft rain that he wants to export, and the program itself creates a directory and saves the file of choice.

4 CASE STUDY OF TOWN OF VRÁBLE – PROGRAMM APPLICATION

The arae of interest of this research is the municipality of Vráble, which has no ombrographic station and curve parameters K, B and a were calculated by interpolating values from the 3 nearest localities with their own ombrographic measurements, namely Nitra, Nový Tekov and Svätuša. Interpolation was performed with respect to the direct airline distance of the selected ombrographic stations from the area of interest. Considering the length of actual historical rainfall measurements in the site (about 2 years), periodicity of rainfall p = 0.5 was chosen for the assessment (i.e. rain probability 50% in 1 year). Due to the length of the sewerage network of the municipality of Vráble, the time of concentration of surface runoff in the locality is longer than 15 minutes and therefore according to the Slovak Technical Standard (STN) under number 75 6101 is recommended for the design and assessment the use of the „Bartoška method“, which is a modification of the rational method. Bartoška method considers a block design rainfall, of the duration that is equal to the time of the concentration of the surface runoff. For the above reason, the calculated parameters of the "reduced block rainfall" curve K, B and a are displayed in Tab. 3.1.

Tab. 4.1 Parameters of „reduced block rainfall“ curve K, B,

Curve equation Curve parameters K B a = ∗ ( + ) 2791.3 4.49 0.92

4.1 Assessment of measured datasets

Measured meteorological data have been updated in regular - 2 week long intervals. For the area of interest, the 4 most significant recorded storm events were selected. Yeild curves were plotted for selected recorded storms to show their course, which can be seen in Fig. 1. and also the average intensities, maximum intensities, the maximum intensities set and the total surface outflow from the 1 ha area were calculated.

170


Fig. 1 Course of selected measured storm curves in Vráble

Graphical comparison of yield curve progression of all design rainfall is displayed in Fig. 2.

Fig. 2 Curve progression of all design rainfalls including measured historical rainfall data

Due to the large number of curves and the possible oversampling caused by the marks on individual lines, curve and legend designations were off. The blue curves represent historical rain, the orange curves represent synthetic rainfalls, and the red rain is block rain. From the course of historical rainfall curves (blue lines), it is clear that the runoff concentration is mostly concentrated in the 15th-20th minutes of the total rainfall. The peak of rainfall in most cases lasted an average of 7-9 minutes, at which the maximum intensity of reduced block rain could also be transformed. Tab. 1 shows calculated data of all design rainfall curves.

Tab. 1 Calculated data of all design rainfall curves

design rainfall / author

qavg1 qmax

2 qt3 surface runoff4

[l.s-1.ha-1] [l.s-1.ha-1] [min] [m3.ha-1] Block rainfall mon-reduced 145,56 508,14 1 516

171


reduced 92.73 169.03 1 327

Synthetic rainfall

Keifer and Chu 57.75 435.76 13 210 Huff 62.91 153.04 4 225 Šifalda 60.41 135.38 15 220 Yen and Chow 57.49 115.94 13 210

Historical rainfall

1 76.78 300.00 17 281 2 43.17 316.67 18 158 3 46.99 283.33 14 172 4 74.86 316.67 17 273

1 – average rainfall intensity 2 – maximum rainfall intensity 3 – peak location 4 – total surface runoff from 1 hectare area

In the case of the assessment of the objects on sewer networks for rainwater retention and leveling the flood waves, rainfall No. 1 and 4 served as the most appropriate of the recorded historical rain due to the highest amount of surface runoff. From this point of view, the most suitable synthetic rain is Huff design rainfall. When assessing the hydraulic capacity of the sewerage network, we focus on the rain with the highest point of intensity, historical rainfalls no.2 and no.4 are appropriate, but from the point of view of the pipeline filling, it is necessary to observe the long-term average intensity of the rain, so for the next assessment, rain no.4 have been selected. From Tab. 1 it is clear that the synthetic rain according to the selected authors has approximately the same average intensity and the total amount of precipitation, and therefore, in the hydrodynamic assessment, their selection is only influenced by the course. Synthetic rainfall according to Keifer and Chu is suitable for assessing the behavior of the sewer system for very intense rainfall, whereas Huff, Šifalda and Yen and Chow rainfalls are better suited for monitoring of the flow of the pipe during the entire rainfall duration.

5 CONCLUSION

The result of hydrodynamic simulations in assessing sewer networks depends on the quality of the measured data and the boundary conditions used for the calculation. When assessing combined or rains sewers, the most important factor is the choice of suitable design rainfall as the sewage flow compared to storm runoff is negligible. When assessing objects for rainwater retention and leveling of flood wave, it is more appropriate to choose the rainfall with a higher total surface runoff and duration, whilst the impact assessment of hydraulic condition of pipeline capacity and pipeline filling is more influenced by the peak maximum and long-term average rainfall intensity. To calibrate the simulation of hydrodynamic models, a sufficient number of recorded historical rainfall events, their evaluation, spatial and temporal analysis are needed. A two-year rainfall measurement series was carried out in the town of Vráble and on the basis of the measured data, the 4 most significant rain events were evaluated, based on which a suitable historical rainfall for the hydrodynamic assessment was selected. For data comparison, both block and synthetic design rainfalls were used to compare the data.

6 ACKNOWLEDGEMENT

This work was supported by the Scientific grant agency of MŠVVaŠ SR and SAV (VEGA) under the contract VEGA 1/0631/15.

172


Literature

[1] Peleg N., Blumensaat F., Molnar P., Fatichi S., Burlando P., Partitioning the impacts of spatian and climatological rainfall variability in uirban drainage modeling, Hydrol. Earth Syst. Sci., 21, 1559-1572, doi:10.5194/hess-21-1559-2017

[2] Bruni, G., Reinoso, R., van de Giesen, N. C., Clemens, F. H. L. R., and ten Veldhuis, J. A. E.: On the sensitivity of urban hydrodynamic modelling to rainfall spatial and temporal resolution, Hydrol. Earth Syst. Sci., 19, 691-709, doi:10.5194/hess-19-691-2015

[3] McRobie F.H., Wang L.-P., Onof C., Kenney S., A spatial-temporal rainfall generator for urban drainage design, Water Science and Technology, Vol. 68, Issue 1, 2013, 240-249, ISSN: 02731223

[4] Ochoa-Rodriguez S., Wang L.-P., Gires A., Pina R.D., et al., Impact of spatial and temporal resolution of rainfall inputs on urban hydrodynamic modelling outputs> A multi-cathcment investigation, Journal of Hydrology, Vol. 531, december 2015, 389-407, ISSN 00221694

[5] Urcikán, P., Rusnák, D., Sewer systems and wastewater treatment I, design of sewer systems, 2004, Slovak University of Technology in Bratislava, pages 210-215, ISBN 978-80-227-3435-6

173


COMPARISON OF ENVIRONMENTAL GOALS AND ECONOMIC EFFICIENCY IN WASTE MANAGEMENT AT

MUNICIPAL LEVEL WITHIN REVERSE LOGISTICS

Mgr. Mária Trošanová, doc. RNDr. Ivona Škultétyová, PhD., Ing. Mária Dubcová, Ing. Dušan Rusnák

ABSTRACT

This paper evaluates the economic aspect expressed through the efficiency of municipal waste management expenditures of 17 districts of Bratislava and the ecological point of view through the achievement of objectives of waste management legislation at municipal level as a primary assessment of the potential of municipalities for the possibility of collecting selected waste streams and packaging from the municipal waste stream and achievement of waste management goals for both municipalities and producers through reverse logistics activities (e.g. sorting, material recycling, recovery, etc.).

Key words: municipal waste management, objectives, efficiency

1 INTRODUCTION

By introducing extended producer responsibility and urging to engage in the realization of the Circular Economy, the interested groups (including producer of a specified product, traders, municipalities) currently face new obligations in Slovakia. Producer of a specified product means a producer of electrical equipment, batteries and accumulators, packaging, vehicles, pneumatic tires, or producer of non-packaging products that are part of municipal waste, too. Extended producer responsibility means the sum of obligations of producers of specified products laid down in Act about waste or in a specific regulation that apply to these product throughout all stages of their life cycle, aimed at preventing waste from specified products and reinforcing reuse, recycling and other recovery of this waste stream (MoE, 2015, p. 32). Sustainable materials management provides a valuable perspective for encouraging the decoupling of resource consumption from industrial growth (Fiksel, 2006, p.21). Reverse logistics can help to achieve this obligations for producers because it is the process of planning, implementing and controlling the ability to efficiently manage the flow and storage of secondary goods and related information oriented in the exact opposite direction than in a classical understanding of the supply chain, for recovering or appropriately handling the goods, in this case packaging waste (Fleischman at al., 2001 p. 165). Obtaining the end of life products (in this case packaging) from the customers can be classified into two groups: waste stream and market driven. In waste stream, manufacturer has no policy and strategy to control the quality and quantity of the used products; all the returned products are collected and transferred to the material recovery and recycling companies; and the manufacturer can reduce the cost by minimizing the cost of reverse logistic network. In market driven, customers are motivated to return the end of life product by some type of financial incentive. In this way the manufacturer can control the quantity and quality of the returned products (Ghoreishi at al., 2013, p. 131-132).

In this article, we focused on potential of municipality for separation packaging waste to meet regulatory requirements and meet recycling and recovery rates for packaging producer. Activities was evaluated from several points of view. The most important is the economic aspect (efficiency of

174


selected municipal waste costs) and the ecological aspect (achievement of waste management goals in municipal waste).

2 METHODOLOGY

For the article was selected the waste group 20 municipal wastes (waste from household and similar waste from shops, industry and institutions) and area of capital city Bratislava with its 17 city districts.

In the first step was focusing on choice of suitable cost-output evaluation method. On base of acquired data (costs of waste management, waste quantity, defined territorial units), compared with the outputs of the individual analysis (monetary units at Cost-Benefit Analysis, many output units per cost unit realized at Cost-Effectiveness Analysis or the benefits flowing from the Cost-Utility Analysis project), was selected analysis of cost effectiveness (CEA) according to Boardman and modified according to methodology of Struk and Soukupova (Ochrana, 2004, p. 173), (Struk, Soukupová, 2011, p. 381-382) on basic the formula:

= → where,

(C)- annual costs (E)- outputs expressed in natural units

For the method, Cost-Effectiveness Analysis exists several methods how to evaluate and determine order of alternatives, as following (Soukupová, 2013):

1. by determining the cost per unit of output

2. by the form of decreasing efficiency for the same costs

3. by increasing costs for the same efficiency

For this case, concerns option 3.

Calculation of the values for each reviewed unit (community) was obtained by using the formula: = where, j = 1, ..., n.

Analysis consists in assessment two aspects of effectiveness on samples of 17 city districts of capital city Bratislava, as following:

1. expenditure per capita E1

2. expenditure per tons of municipal waste E2

In contrast to economic evaluations of efficiency were evaluated also environmental target for municipal wastes. The analysis consisted of methods of comparing the amount of municipal waste generated against municipal waste that was material recycling in line with the target of increasing the preparation for re-use and recycling of waste materials from households and similar to waste from households according directive on waste:

(1)

Recycling of municipal waste in % = Municipal waste recycled *100

------------------------------------------------ Municipal waste generated

175


In the last part, the economic and environmental targets were compared, indicating whether an adequate percentage of waste recovery exists for a given expenditure per tonne of waste.

3 COST-EFFECTIVENESS ANALYSIS IN CITY DISTRICTS OF BRATISLAVA

The 17 city districts of Bratislava generated almost 206.5 thousand a ton of municipal waste in 2016. About 27.5 million € was spent on waste management. This amount should include all the costs of collection, transport, recovery, disposal and other costs associated with waste management - such as rental of containers, investments in technology, etc. The population (the latest available data 2014) was about 419.7 thousand on the territory of monitored districts. Municipal waste generation per capita averaged 500.8 kg of waste,

The efficiency of waste management in individual districts of Bratislava was compared in Tab. 1 Expenditure per capita CEAjE1 and Tab. 2 Expenditure per municipal waste tonne of CEAjE2. The analysis was evaluated because of increasing costs for the same efficiency.

3.1 Expenditure per capita

Expenditure per capita an average of all districts was 66.13 €. The value ranged from 65.43 € in the district of Petržalka to 67.33 € in the district of Jarovce.

Municipality Population CEAjE1 Petržalka 104 395,00 65,43 Dúbravka 33 011,00 65,60 Podunajské Biskupice 21 528,00 65,68 Devínska Nová Ves 15 974,00 65,68 Karlova Ves 33 056,00 65,70 Ružinov 70 660,00 65,82 Staré Mesto 38 988,00 65,85 Vrakuňa 19 866,00 65,86 Rača 20 531,00 65,86 Vajnory 5 484,00 65,87 Nové Mesto 37 066,00 65,94 Lamač 6 974,00 66,04 Rusovce 3 479,00 66,50 Devín 1 237,00 66,78 Záhorská Bystrica 4 302,00 67,06 Čuňovo 1 248,00 67,25 Jarovce 1 879,00 67,33

Tab. 1 Expenditure per capita in 17 city districts of Bratislava

Expenditure is generally higher than in other parts of Slovakia, which may be because there are more business entities that employ more people in their territories, which then generate more municipal waste that is counted towards the amount of waste in that city.

3.2 Expenditure per municipal waste tonne

The expenditure per municipal waste tonne comparison averaged 138.16 €. The lowest expenditure was in the district of Devín 90,83 €/tonne and highest was in the district of Jarovce 215.28 €/tonne. This calculation is about information how much money was spent in individual districts on one tonne of its waste.

176


Municipality Municipal waste amount [t] 2016 CEAjE2 Devín 909,45 90,83 Rusovce 2 230,24 103,73 Záhorská Bystrica 2 775,74 103,93 Staré Mesto 21 358,21 120,21 Podunajské Biskupice 11 611,39 121,77 Ružinov 37 787,62 123,08 Rača 10 899,63 124,06 Nové Mesto 19 150,37 127,63 Devínska Nová Ves 8 180,79 128,24 Vrakuňa 9 132,56 143,26 Petržalka 47 256,03 144,54 Lamač 3 117,66 147,72 Karlova Ves 14 403,85 150,77 Vajnory 2 382,05 151,65 Dúbravka 14 277,89 151,67 Čuňovo 418,92 200,35 Jarovce 587,62 215,28

Tab. 2 Expenditure per municipal waste tonne in 17 city districts of Bratislava in 2016

4 ENVIRONMENTAL WASTE MANAGEMENT TARGET FOR MUNICIPAL WASTE

An analysis of achieving the environmental objectives of waste management for municipal waste consisted in comparing the quantities of municipal waste produced against municipal waste that were materially recycled (included composting and digestion) in urban areas following the directive on waste target of increasing the preparation for reuse and recycling household waste such as paper, metal, plastics and glass to at least 50% by weight. The remainder of the municipal waste was recovered by other means (e.g. energy recovery) or disposed of and stored

In 2016, most of the material waste was recycled in Rusovce district (38.86 %), the least in Ružinov district (9.61%). Both values, as well as the average of 16.78 % of material recovery, are below the waste management targets for municipal waste (50 %).

Municipality

Material recycling / composting and

digestion 2016 [t]


digestion 2016 [kg/cap]


digestion 2016 [% ]

Difference to target

[%]

Ružinov 3 631,45 51,39 9,61 40,39 Devínska Nová Ves 895,00 56,03 10,94 39,06 Staré Mesto 2 475,52 63,49 11,59 38,41 Podunajské Biskupice 1 434,94 66,65 12,36 37,64

Nové Mesto 2 436,54 65,74 12,72 37,28 Dúbravka 1 914,15 57,99 13,41 36,59 Vrakuňa 1 241,39 62,49 13,59 36,41 Záhorská Bystrica 390,42 90,75 14,07 35,93 Karlova Ves 2 040,15 61,72 14,16 35,84 Petržalka 6 739,07 64,55 14,26 35,74 Jarovce 86,15 45,85 14,66 35,34 Lamač 485,01 69,54 15,56 34,44

177


Rača 1 868,94 91,03 17,15 32,85 Vajnory 461,47 84,15 19,37 30,63 Devín 216,68 175,17 23,83 26,17 Čuňovo 122,33 98,02 29,20 20,80 Rusovce 866,71 249,13 38,86 11,14

Tab. 3 Achieving of Municipal Waste target in 17 city districts of Bratislava in 2016

5 COMPARISON OF ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL TARGETS

The goal comparison tells us whether there is an adequate percentage of waste recovery at a given expenditure per tonne of waste.

Fig. 1 Comparision of economic and environmental targets in 17 city districts of Bratislava

The picture shows that the expenditure per ton of waste in individual urban districts have a comparable percentage of recovery. Exceptions were Devín and Rusovce districts which percentage of material recovery was higher than expenditures provided on waste management.

6 CONCLUSION

In this paper, we have described and calculated the expenditure per capita and expenditure per municipal waste tonne of 17 districts of Bratislava for municipal waste management. Then we have calculated amount of material recycling (include composting and digestion) in individual districts of Bratislava and compared with recycling target in municipal waste according directive on waste. The calculated values allowed us to compare the cost effectiveness of waste management in individual districts. These values can serve as a tool for producers of packaging, how the municipality effectively manage expenditures allocated to waste management and the separation packaging waste that producers have funded (financing of separation packaging waste). For the future, it would be advisable to extend the scope of monitored municipalities and cities as well as to monitor the trend of these indicators.

7 ACKNOWLEDGEMENT

This work was supported by the Scientific grant agency of MŠVVaŠ SR and SAV (VEGA) under the contract VEGA 1/0631/15.

178


179


Literature

[1] MoE, 2015: Act no 79/2015 Coll. on waste and on amendments to certain acts avaible online: https://www.slov-lex.sk/pravne-predpisy/SK/ZZ/2015/79/20170501 [24.11.2017].

[2] Fiksel, J., 2006: A Framework for Sustainable Materials Management, JOM, pp 15-22, ISSN 1543-1851.

[3] Fleischman, M., Beullens, P., Bloemhof-Ruwaard, J.M., Van Wassenhove, L.N., 2001: The Impact of Product Recovery on Logistics Network Design. Production and Operations Management, pp. 156- 173.

[4] GHOREISHI, N., JAKIELA M.J, NEKOUZADEH, A., 2013: General Modeling Framework for Cost/Benefit Analysis of Remanufacturing. In: REVERSE SUPPLY CHAINS, pp. 131-132. ISBN 978-1-4398-9903-8.

[5] OCHRANA, F., 2004: Public Procurement: Methods and Methodology of Effective Evaluation and Selection. Vyd. 1., Praha: Ekopress, p.173, ISBN 8086119793

[6] STRUK, M., SOUKOPOVÁ, J., 2011: Efficiency of the current municipal waste management expenditure - methodology approach and its implication, Acta Universitatis Agriculturae et Silviculturae Mendelianae Brunensis, pp.379-386.

[7] SOUKOPOVÁ, J., 2013: Cost-output evaluation methods (CMA, CEA, CUA) avaible online: https://is.muni.cz/el/1456/jaro2013/MPV_VZVP/um/33148301/Studijni_text_nakladove_vystupove_metody_CMA_CEA_CUA.pdf [24.11.2017].

180

https://www.slov

https://is.muni.cz/el/1456/jaro20


VLIV ORIENTACE BUDOVY NA MOŽNOSTI VYUŽITÍ PŘIROZENÉHO VĚTRÁNÍ U DVOJITÝCH PROSKLENÝCH

FASÁD

THE INFLUENCE OF BUILDING’S ORIENTATION AND THE POSSIBILITY OF USE NATURAL VENTILATION IN DOUBLE TRANSPARENT FACADE

Ing. arch. Kristýna Valoušková

ABSTRAKT

V současné době, kdy se většina výškových budov navrhuje s prosklenou fasádou, je vhodné zvážit možnost dvojité prosklené fasády. Využití těchto fasád má několik nesporných pozitiv, mezi které bezesporu patří možnost přirozeného větrání. Tato studie se zabývá vlivem orientace budovy na možnost využití přirozeného větrání ve výškových budovách se zmiňovaným typem fasády. Zkoumány jsou orientace prosklené fasády na jih, západ, sever a východ. Všechny tyto varianty jsou simulovány pomocí CFD (Computational Fluid Dynamics) v programu DesignBuilder s využitím výpočetního jádra EnergyPlus ve variantách 4 s konkrétními okrajovými podmínkami (den a hodina), které byly využity v předchozích studiích.

Klíčová slova: dvojitá prosklená fasáda, PMV a PPD index, přirozené větrání, rychlost proudění, tepelný komfort

ABSTRACT

Nowadays, most of high-rise buildings are designed with glass façade. It is appropriate to consider the use of double transparent/glass facade. The use of these type of facades has several indisputable positives and using of natural ventilation is one of them. This study examines the influence of the orientation of the building to the possible use of natural ventilation in high-rise buildings. The exanimated orientation of the double transparent façade are south, west, north and east. All these variants are simulated by using Computational Fluid Dynamics (CFD) in software DesignBuilder with the EnergyPlus computational core in 4 specific external conditions (day and hour), which were already used in previous researches.

Key words: airflow velocity, double transparent façade, natural ventilation, PMV and PPD model, thermal comfort

1 ÚVOD

Důležitými venkovními okrajovými podmínkami, které mají výrazný vliv na tepelný výkon dvojité prosklené fasády a celé budovy jsou úroveň slunečního dopadu, orientace fasády, vnější návrhová teplota a povětrnostní podmínky [7].

Hamze [7] a Gratia [4] se shodli, že nejméně příznivá orientace pro dvojité fasády je východ-západ, kdy značně narůstají tepelné zisky budovy a vzniká tedy vyšší potřeba na chlazení. Pokud je fasády orientovaná na východ, k přehřívání dochází v brzkých ranních hodinách, přičemž největší tepelné zisky při orientaci na západ jsou ve večerních hodinách ke konci dne. Haase a spol. [6] uvádějí, že nejvýhodnější orientace dvojité fasády je na jih, jihovýchod a jihozápad.

181


Kromě těchto zjištění, Kim a spol. [8] zmiňují, že pro budovy s přirozeným větráním taktéž není vhodná orientace fasády na východ, avšak orientace na západ dosahuje dostatečného slunečního záření a podporuje přirozené větrání vnitřního prostoru. Na základě studií o přirozeném větrání budov s dvojitou fasádou situovaných na severní polokouli by měla být orientace fasády na jih (s možností variace otočení o 45°) nejefektivnější.

1.1 Požadavky na pracovní prostředí

Požadavky na tepelně-vlhkostní stav pracovního prostředí stanovuje nařízení vlády č. 93/2012 Sb. [9]. Pro hodnocení se používá operativní teplota to nebo výsledná teplota kulového teploměru tg, která je vypočtená jako časově vážený průměr za efektivní dobu práce. Směrodatnou teplotní veličinou pro Severní Ameriku je teplota vzduchu v interiéru ti. V následujících tabulkách 1 a 2 jsou uvedeny mikroklimatické požadavky na pracovní prostředí.

Třída práce M

[W/m2] to,min nebo tg,min

[°C] (1 clo) to,max nebo tg,max

[°C] (0.5 clo) va

[m/s] Rh [%]

I ≤ 80 20 27 0,01 až 0,2 30 až 70

IIa 81 až 150 18 25

Tab. 1 Mikroklimatické podmínky pro pracoviště třídy I a IIa s přirozeným nebo nuceným větráním [9]

ti, min [°C] Rh [%] va [m/s]

Limity 23 až 28 (letní období)

20 až 25,5 (zimní období) 30 až 60 ≤ 0,25

Reference ASHRAE Standard 55-2013

ISO 7730

ASHRAE Standard 55-2013

ISO 7730

WHO

ISO 7730

Tab. 2 Standarty a pokyny pro kvalitu vnitřního prostředí pro Severní Ameriku [1]

1.2 Předpověď tepelného komfortu

Norma ČSN EN ISO 7730 – Ergonometrie tepelného prostředí [2] zavádí ukazatele PMV (předpověď středního tepelného pocitu) a PPD (předpověď procentuálního podílu nespokojených), které lze stanovit na základě faktorů ovlivňujících tepelný pocit člověka – tělesná činnost, tepelný odpor oděvu, teplota vzduchu a relativní vlhkost vzduchu, střední radiační teplota a rychlost proudění vzduchu. Tepelný pocit člověka je vyjádřen sedmibodovou stupnicí dle Tab. 3.

PMV - 3 - 2 - 1 0 + 1 + 2 + 3

Tepelný pocit zima chladno mírné chladno neutrální mírné teplo teplo horko

Tab. 3 Stupnice tepelných pocitů

Dle ASHRAE viz 55-2013 [1] by se měly hodnoty PMV ukazatele pohybovat v rozmezí mezi - 0,5 ≤ + 0,5. Hodnoty PPD ukazatele by měly dosahovat max. 10 % nespokojených.

182


2 POPIS STUDIE

Studie zaměřena na stanovení nejoptimálnější orientace prosklené dvojité fasády ke světovým stranám v našich zeměpisných šířkách byla řešena s využitím softwaru DesignBuilder [3]. Pomocí výpočetního jádra EnergyPlus [4] byla vypočtena povrchová teplota konstrukcí, tepelný tok a průtokový objem vzduchu proudící fasádními otvory na základě vnějších okrajových podmínek. Bylo uvažováno s infiltrací konstrukcemi. Tyto výsledné hodnoty byly použity jako okrajové podmínky pro detailní výpočet CFD pro předem stanovenou hodinu v konkrétní dny. Proměnným faktorem studie byla orientace prosklené fasády vůči světovým stranám.

2.1 Popis modelu

Pro CFD simulaci bylo použito turbulentního modelu k-Ɛ. Velikost mřížky byla stanovena na 0,1 m s tolerancí 0,03 m.

Model (Obr. 1) reprezentuje zjednodušený kancelářský prostor o rozměrech 4 x 7 m situovaný v 25. podlaží kancelářské budovy. Prosklená fasáda je orientována variantně a je tvořena jednoduchým zasklením s nízkou emisivitou se součinitelem prostupu tepla U = 3,779 W/(m2∙K), solárním faktorem g = 0,78 na pozici vnější fasády a dvojitým zasklením s nízkou emisivitou s U = 1,493 W/(m2∙K) a solárním faktorem g = 0,62 na pozici vnitřní fasády. Rámy oken jsou navrženy hliníkové. Jako stínící prvky byly použity žaluzie s vysokou odrazivostí. Velikost okenních otvorů byla stanovena dle předchozí studie na 1,5% a 1,5% z plochy vnějšího zasklení (přívodní a odvodní prvky) a 6,5% z plochy vnitřního zasklení.

Simulace byly provedeny za předpokladu využití přirozeného větrání na základě vztlaku v závislosti na okrajových podmínkách získaných z výpočetního jádra EnergyPlus. Posuzovány byly čtyři varianty s rozdílnými vnějšími okrajovými podmínkami, stanovené na konkrétní hodinu a den. Tyto okrajové podmínky byly již použity v předchozích studiích, aby bylo možné srovnání výsledků všech výzkumů. V každé variantě byly porovnávány orientace prosklené fasády na jih, západ, sever a východ.

Do modelu byl umístěn model sedící osoby, který představuje standartního pracovníka. Model pracovníka byl umístěn na střed místnosti 1,0 m od fasády, do místa předpokládané polohy pracovního stolu.

2.1.1 Okrajové podmínky

Výpočty byly provedeny ve 4 variantách pro lokalitu Praha 6 – Ruzyně. Okrajové podmínky pro jednotlivé varianty jsou uvedeny v Tab. 4. Klimatické podmínky byly vybrány na základě předchozích studií.

Rhe [%]

CL [clo]

MR [met]

te [°C]

wd [°]

vw [m/s]

SA [°]

SAl [°]

VARIANTA Č. 1 (8.4.2002 9.00) 33.07 0.61 1.30 13.5 12.5 1.00 113.52 30.09

VARIANTA Č. 2 (26.6.2002 15.00) 26.14 0.61 1.30 14.0 327.5 8.25 244.02 49.08

VARIANTA Č. 3 (4.7.2002 11.00) 51.40 0.57 1.30 21.7 60.0 4.33 142.17 58.38

VARIANTA Č. 4 (3.5.2002 16.00) 33.25 0.57 1.30 21.4 332.5 5.93 253.31 33.17

Tab. 4 Okrajové podmínky pro simulované varianty (dle EnergyPlus)

183


Rhe … relativní vlhkost venkovního vzduchu [%] CL … tepelný odpor oblečení (clothing level) [clo] MR … tepelný výkon člověka (metabolic rate) [met] te … teplota venkovního vzduchu (incoming air temp.) [°C] wd … směr větru (wind direction) [°] vw … rychlost větru (wind velocity) [m/s] SA … azimut Slunce (solar azimuth) [°] SAl … výška Slunce nad obzorem (solar altitude) [°]

a) b) c) d)

Obr. 1 Grafické znázornění vnějších okrajových podmínek a) var. č. 1, b) var. č. 2 c) var. č. 3, d) var. č. 4 (žlutá – poloha Slunce, modrá – směr větru, červená – model kanceláře)

Obr. 2 Zjednodušený model kanceláře s dvojitou prosklenou fasádou

3 HODNOCENÍ VÝSLEDKŮ STUDIE

Následující část článku je věnována porovnávání chování tepelného komfortu uvnitř kanceláře s dvojitou prosklenou fasádou orientovanou na 4 různé světové strany. Důležitými veličinami pro posouzení stavu vnitřního prostředí byly stanoveny relativní vlhkost vnitřního vzduchu Rhi, rychlost proudění vzduchu va, vnitřní teplota vzduchu ta, operativní teplota to, střední radiační teplota tr a stáří vzduchu LMA. Dále byl posuzován PMV a PPD ukazatel.

3.1 Varianta č. 1 (8. 4. 2002, 9:00)

Tabulka č. 5 obsahuje porovnání výsledků CFD simulace dvojité prosklené fasády provedené v programu DesignBuilder [3]. Tučně jsou zvýrazněny vypočtené hodnoty, které neodpovídají limitům zmíněných v odstavci 1.1 Požadavky na pracovní prostředí.

Ve variantě č. 1 se relativní vlhkost interiéru ve všech orientacích fasády pohybuje v limitech zmiňovaných v odstavci 1.1. Nejlépe však vychází orientaci na jih. Pro tuto variantu se všechny zkoumané parametry, obzvláště operativní teplota a teplota interiéru, nachází v optimálních hodnotách. Rychlost proudění vzduchu se pohybuje v mezních hodnotách pro české standarty, avšak

184


pro standarty Severní Ameriky je zcela v normě. Díky zvýšené rychlosti proudění vzduchu dochází rovněž k většímu provětrání interiéru a lepší výměně vzduchu, než v ostatních variantách.

Orientace ke světovým stranám

JIH

ZÁPAD SEVER VÝCHOD Relativní vlhkost v kanceláři Rhi 38,42 % 33,55 % 34,94 % 36,71 %

Okr

ajov

é po

dmín

ky p

ro

CFD

sim

ulac

i (d

le v

ýpoč

tů E

nerg

yPlu

s)

Va [m3/s]

do fasády 0,114 0,113 0,112 0,158

do kanceláře 0,102 0,028 0,026 0,109

ta [°C] kancelář 25,34 26,30 25,51 26,07

fasáda 22,49 23,83 23,05 23,52

to [°C] kancelář 25,55 26,01 25,15 25,84

fasáda 24,25 23,93 22,93 25,91

tr[°C] kancelář 25,75 25,92 24,79 25,60

fasáda 26,00 24,03 22,80 28,29

Výs

ledk

y C

FD si

mul

ace

va [m/s]

rozsah 0,001 → 0,33 0,001 → 0,22 0,001 → 0,22 0,001 → 0,31

oblast těla 0,12 0,10 0,12 0,14

oblast kotníků 0,20 0,16 0,14 0,20

LMA [s]

rozsah 0,00 → 1065 0,00 → 2647 0,00 → 2737 0,00 → 1116

okolí pracovníka 945 2412 2624 1015

PMV oblast kotníků 0,08 0,32 0,11 0,09

oblast těla 0,27 0,46 0,23 0,29

PPD [%]

v blízkosti sedícího člověka

7,73 8,64 6,36 5,82

Tab. 5 Přehled výsledků pro variantu č. 1 (8. 4. 2002, 9:00) – 13,5°C

Ukazatel tepelného prostředí PMV se pohybuje v ideálních hodnotách, v oblasti neutrálního pocitu pro všechny varianty. V blízkosti kotníků je PMV index nižší, což je způsobeno vyšší rychlostí proudění vzduchu. Tato skutečnost může způsobovat lehký pocit diskomfortu, což je patrné z PPD indexu. Ten je v této variantě druhý nejvyšší, avšak stále se nachází v optimálním rozmezí se 7,73 % nespokojených uživatelů.

a) b) c) d)

Obr. 3 Orientace prosklené fasády vzhledem k okrajovým podmínkám varianty č. 1 a) jih, b) západ, c) sever, d) východ

Orientace na východ při těchto okrajových podmínkách vychází v některých veličinách lépe. Ukazatel PPD dosahuje nejnižšího počtu nespokojených, tj. 5,82%. Avšak teplotně a co se týče provětrání místnosti, je na tom lépe varianta jih. Můžeme tedy předpokládat, že orientace jihovýchod by měla být nejoptimálnější.

185


3.2 Varianta č. 2 (26. 6. 2002, 15:00)

Varianta č. 2 má velmi podobnou venkovní teplotu, avšak ostatní vnější okrajové podmínky jsou od varianty č. 1 rozdílné. Jedním z důležitých parametrů ovlivňující tepelný komfort uvnitř kanceláře je směr větru. Tučně jsou zvýrazněny hodnoty, které neodpovídají limitům pro Českou republiku [2] a Severní Ameriku [1].

Orientace ke světovým stranám JIH ZÁPAD SEVER VÝCHOD Relativní vlhkost v kanceláři Rhi 29,47 % 29,20 % 30,44 % 29,20 %

Okr

ajov

é po

dmín

ky p

ro

CFD

sim

ulac

i (d

le v

ýpoč

tů E

nerg

yPlu

s)

Va [m3/s]

do fasády 0,104 0,105 0,034 0,088

do kanceláře 0,102 0,106 0,111 0,105

ta [°C] kancelář 24,12 24,68 25,67 24,97

fasáda 22,01 22,11 23,57 22,69

to [°C] kancelář 24,02 24,54 25,04 24,73

fasáda 23,62 23,90 24,14 23,70

tr[°C] kancelář 23,91 24,40 24,40 24,49

fasáda 25,23 25,69 24,72 24,71

Výs

ledk

y C

FD si

mul

ace

va [m/s]

rozsah 0,001 → 0,30 0,001 → 0,30 0,001 → 0,17 0,001 → 0,32

oblast těla 0,11 0,11 0,09 0,12

oblast kotníků 0,19 0,19 0,11 0,17

LMA [s]

rozsah 0,00 → 1148 0,00 → 1170 0,00 → 2599 0,00 → 1205


PMV oblast kotníků - 0,40 - 0,15 0,09 - 0,10

oblast těla - 0,07 0,03 0,24 0,06

PPD [%]


5,27 5,18 5,73 5,55


Z tabulky je patrné, že pro varianty jih, západ a východ se relativní vlhkost v kanceláři pohybuje lehce pod doporučenými hodnotami. Nižší hodnota je způsobena nízkou relativní vlhkostí vnějšího vzduchu. V takových to případech nelze dosáhnout doporučených hodnot jinak, než dodatečným dovlhčováním. Rychlost proudění vzduchu v oblasti kotníků se ve variantách pohybuje od 0,09 m/s do 0,19 m/s, což je v rámci doporučených mezí. Pro variantu jih a západ se blíží limitním hodnotám pro Českou republiku.

a) b) c) d) Obr. 4 Orientace prosklené fasády vzhledem k okrajovým podmínkám varianty č. 2

a) jih, b) západ, c) sever, d) východ

186


Parametry hodnotící tepelnou pohodu vnitřního prostředí, tj. ukazatel PMV a PPD se opět ve všech variantách pohybují v příznivých hodnotách. Z hlediska ukazatele tepelného pocitu PMV nejlépe vychází varianta východ, procento nespokojených je naopak nejpříznivější ve variantě západ. Všechny varianty se pohybuje v blízkosti neutrálního tepelného pocitu. Ve variantě č. 2 můžeme konstatovat, že tři ze čtyř variant orientací vychází relativně podobně s nepatrnými odchylkami. S ohledem na provětrání a PMV index, vychází nejlépe varianty jih a západ. Můžeme tedy usuzovat, že nejoptimálnější orientace by v tomto případě byla jihozápad.

3.3 Varianta č. 3 (4. 7. 2002, 11:00) – 21,7°C

Okrajové podmínky varianty č. 3 se pohybují na pomyslné hranici, při které je stále možné využívat přirozené větrání [5]. V případě této varianty hraje velkou roli vnější teplota vzduchu, což se promítá taktéž na tepelném komfortu uvnitř kanceláře a tedy i procentuálně nespokojených uživatelů. Zvýrazněny jsou hodnoty, které neodpovídají limitům pro Českou republiku [2] a Severní Ameriku [1].


Okr

ajov

é po

dmín

ky p

ro

CFD

sim

ulac

i (d

le v

ýpoč

tů E

nerg

yPlu

s)

Va [m3/s]

do fasády 0,220 0,207 0,185 0,202

do kanceláře 0,126 0,136 0,131 0,129

ta [°C] kancelář 29,33 29,19 28,76 29,67

fasáda 26,48 25,84 25,48 26,55

to [°C] kancelář 29,32 29,51 29,97 29,75

fasáda 28,68 27,85 27,03 28,81

tr[°C] kancelář 29,32 29,83 29,17 29,82

fasáda 30,85 29,86 28,58 31,06

Výs

ledk

y C

FD si

mul

ace

va [m/s]

rozsah 0,001 → 0,32 0,001 → 0,32 0,001 → 0,31 0,001 → 0,30

oblast těla 0,15 0,09 0,09 0,11

oblast kotníků 0,20 0,21 0,20 0,22

LMA [s]

rozsah 0,00 → 1085 0,00 → 849 0,00 → 907 0,00 → 1020



oblast těla 1,41 1,49 1,39 1,42

PPD [%]

v blízkosti sedícího člověka 46,52 47,41 41,52 48,94


Vzhledem k nepříliš příznivým okrajovým podmínkám, které byly zkoumány již v předchozích výzkumech, je z tabulky č. 7 patrné, že exteriérová teplota v kombinaci s nepříliš optimálními venkovními parametry má velký vliv na teplotu v interiéru kanceláře. Operativní teplota interiéru se ve všech variantách orientací prosklené fasády pohybuje za hranicí doporučených hodnot jako pro Českou republiku, tak pro Severní Ameriku.

187




Vysoká teplota způsobuje značný tepelný diskomfort, což má za důsledek vysoké procento nespokojených uživatelů a taktéž zvýšený pocit tepla. Hodnoty PMV ukazatele se pohybují v rozmezí mezi 1,0 do 1,49, což na stupnici tepelných pocitů odpovídá pocitu mírné teplo až teplo. V této variantě nejoptimálněji vychází orientace fasády na sever.

3.4 Varianta č. 4 (3. 5. 2002) – 21,4°C

V poslední variantě je velmi podobná exteriérová teplota, jako v předchozí variantě č. 3. Ostatní venkovní okrajové podmínky jsou odlišné, což má za důsledek rozdílné výsledky. V tomto případě však žádný ze zkoumaných parametrů důležitých pro hodnocení tepelného komfortu a vnitřního prostředí nepřekračuje doporučené limity.


Okr

ajov

é po

dmín

ky p

ro

CFD

sim

ulac

i (d

le v

ýpoč

tů E

nerg

yPlu

s)

Va [m3/s]

do fasády 0,115 0,110 0,112 0,115

do kanceláře 0,107 0,109 0,093 0,122

ta [°C] kancelář 26,19 26,39 26,38 26,23

fasáda 24,05 24,03 24,04 23,96

to [°C] kancelář 25,65 25,87 25,81 25,72

fasáda 24,33 24,20 24,25 24,33

tr[°C] kancelář 25,11 25,34 25,25 25,21

fasáda 24,60 24,38 24,46 24,71

Výs

ledk

y C

FD si

mul

ace

va [m/s]

rozsah 0,001 → 0,24 0,001 → 0,25 0,001 → 0,25 0,001 → 0,24

oblast těla 0,13 0,13 0,12 0,11

oblast kotníků 0,17 0,18 0,16 0,15

LMA [s]

rozsah 0,00 → 1139 0,00 → 1101 0,00 → 1133 0,00 → 1069



oblast těla 0,27 0,32 0,28 0,27

PPD [%]


6,31 7,81 7,27 6,14


Z předchozí tabulky 8 je patrné, že žádná ze zkoumaných veličin nepřekračuje doporučené hodnoty. Rychlost proudění vzduchu se pohybuje v ideálních parametrech od 0,11 m/s do 0,17 m/s, které zároveň umožňují dostatečné provětrání interiéru. Častým problémem bývá nízká relativní vlhkost

188


v interiéru, kdy je pak nutné dovlhčovat. V této variantě se relativní vlhkosti v kanceláři nachází v optimálních hodnotách pro všechny orientace prosklené fasády.



Z hlediska hodnocení tepelného komfortu nejlépe vychází varianta s orientací na východ, kde se tepelný pocit pohybuje v neutrálním hodnocení a je zde taktéž nejnižší procento nespokojených, tj. 6,14 %. Z hlediska teploty vychází nejlépe varianta s orientací na jih. Můžeme tedy opět předpokládat, že orientace prosklené fasády na jihovýchod by byla nejoptimálnější.

4 ZÁVĚR

Vliv orientace budovy, konkrétněji dvojité prosklené fasády, na možnost využití přirozeného větrání při zachování optimálního tepelného komfortu, je závislý na klimatických podmínkách, kde jedním z nejdůležitějších faktorů je zeměpisná poloha budovy. Zkoumané varianty byly situované na severní polokouli, přesněji do lokality Praha 6 – Ruzyně. Ve třech ze čtyř zkoumaných variant nejlépe vycházely orientace na jih, jihovýchod, jihozápad, kdy docházelo k nejlepšímu provětrání interiéru a zároveň byl zajištěn dostatečný tepelný komfort pro uživatele.

Ve variantě č. 3 nejoptimálněji vyšla orientace prosklené fasády na sever a to z důvodu celkově vysokých teplotních okrajových podmínek. Teplota v interiéru se ve všech variantách pohybovala za hranicí přijatelných limitů pro Českou republiku [2] a Severní Ameriku [1], který způsobil, že ukazatel předpovědi procentuálního podílu nespokojených se pohyboval kolem 50%.

Můžeme tedy konstatovat, že pro možnost využití přirozeného větrání u dvojitých prosklených fasád je orientace jednou ze stěžejních parametrů. Pro severní polokouli byla potvrzena teorie zmíněna v úvodu, že nejvýhodnější orientací dvojité fasády je jih, jihovýchod, jihozápad.

Poděkování

Prezentované výsledky byly získány za podpory grantu SGS17/017/OHK1/1T/11.

189



[1] ANSI/ASHRAE Standard 55-2013, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy. ASHRAE. 2013. ISSN 1041-2336

[2] ČSN EN ISO 7730. Ergonometrie tepelného prostředí – Analytické stanovení a interpretace tepelného komfortu pomocí výpočtu ukazatelů PMV a PPD a kritéria místního tepelného komfortu. Praha: Český normalizační institut, říjen 2006.

[3] DesignBuilder version 4.2.0.054

[4] EnergyPlus version 8.1.0.009

[5] GRATIA, E., De Herde, A., Greenhouse effect in double-skin facade. Energy and Buildings, 2007: vol. 39, s. 199-211, ISSN: 0378-7788

[6] HAASE M., Marques da Silva F., Amato A., Simulation of ventilated facades in hot and humid climates. Energy and Buildings, 2009: vol 41, s. 361-373, ISSN: 0378-7788

[7] HAMZA N., Double versus single skin facades in hot arid areas. Energy and Buildings, 2008: vol. 40, s. 240-248, ISSN: 0378-7788

[8] KIM Y-M, Kim S-Y et al. Contribution of natural ventilation in a double skin envelope to heating load redustion in winter. Energy and Buildings, 2009: vol 44, s. 2236-44, ISSN: 0378-7788

[9] Nařízení vlády č. 93/2012 Sb., kterými se mění nařízení vlády č.361/2007 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci, ve znění nařízení vlády č.68/2012 Sb.

[10] POZAIRIS H., Double skin facades: Literature review. Sweden: IEA SHC Tack 34, ECBCS Annex: 2006

190


ZAMERANIE DNA MALEJ VODNEJ NÁDRŽE ULTRAZVUKOVÝM ADCP PRÍSTROJOM

MEASUREMENT THE BATHYMETRY OF A SMALL WATER RESERVOIR USING AN ULTRASONIC ACOUSTIC DOPPLER CURRENT PROFILER

Ing. Roman Výleta, PhD., Ing. Peter Spál, PhD., Ing. Michaela Danáčová, PhD.

ABSTRAKT

Jedným z najväčších problémov pri prevádzke malých vodných nádrží je zanášanie sedimentmi pochádzajúcimi z poľnohospodárskej pôdy v dôsledku erózno-transportných procesov. Pre dlhodobú udržateľnosť životnosti nádrží, ich retenčnej schopnosti, rýchlosti sedimentácie a zachovania kvality vody je dôležité poznať ich aktuálne batymetrické údaje a prebiehajúce zmeny. Cieľom tejto práce je zameranie dna malej vodnej nádrže pomocou ultrazvukového ADCP prístroja bez zabudovaného systému GPS a bez použitia člna. Metodika bola aplikovaná na malej vodnej nádrži Vrbovce, kde výsledky pochádzajúce z terénneho prieskumu boli použité na výpočet aktuálnej retenčnej kapacity nádrže.

Kľúčové slová: prístroj ADCP, batymetria, mála vodná nádrž

ABSTRACT

One of the biggest challenges in the operation of small water reservoirs is the problem associated with their siltation with sediments coming from agricultural land as a result of erosion and transport processes. In order to increase the lifespan of water reservoirs, to maximize their efficiency in terms of retention capacity, and their ability to maintain good quality of water, it is necessary to know the current state and the dynamics of the changes of their bathymetry. The objective of this paper was to measure the bathymetry of a small water reservoir using an ultrasonic Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) without GPS system and without the use of a boat. The methodology was apllied to the small water reservoir Vrbovce, where the results of terrain survey were used to calculate actual retention capacity of reservoir.

Key words: ADCP device, bathymetry, small water reservoir

1 ÚVOD

Vzhľadom na nerovnomerné rozmiestnenie zdrojov vody vo vzťahu k spotrebiskám, veľkú variabilitu prietokov väčšiny našich tokov, na nevyváženosť požiadaviek na vodu a kapacít zdrojov vody aj výhľadovo majú nezastupiteľnú funkciu vodné nádrže. Sú súčasťou našej krajiny, v ktorej plnia mnoho významných a dôležitých funkcií. Hlavným problémom prevádzkovania vodných nádrží z technicko-prevádzkového hľadiska je zanášanie sedimentmi z okolitých svahov prevažne využívaných na poľnohospodárske účely. Zanášanie nádrží je jav, ktorý nemôžeme odstrániť ale vieme ho minimalizovať opatreniami v povodí a okolí nádrže. Nánosy sedimentov majú negatívny vplyv na zhoršenie biologickej a ekologickej kvality akumulovanej vody, zmenšovanie retenčnej kapacity nádrže, obmedzenie funkčnosti a poškodenie manipulačných zariadení, ktoré vedú k postupnému zániku nádrží [1].

191


Možné zabezpečenie dlhodobej existencie vodných nádrží je závislé od poznania ich stavu, teda aktuálnych batymetrických údajov a prebiehajúcich zmien. Kvantifikácia vývoja sedimentačných procesov a pravidelná aktualizácia údajov o objeme nádrže a dnového sedimentu v nej umožňujú spresnenie prognóz vývoja zanášania a tiež vytvorenia predpokladov pre návrh efektívnych ochranných opatrení na minimalizáciu prísunu pôdnych častíc. Problematika odnosu a sedimentácie pôdnych častíc do vodných nádrží je aktuálna v mnohých krajinách sveta [2], [3], [6], [9], [10] ale aj na Slovensku [5], [7], [8]. Vo všeobecnosti je známych viacero metód na vyhodnocovanie zanášania nádrží: i) vyhodnotenie morfologických zmien na základe priameho merania sústavy priečnych profilov v nádrži; ii) zhodnotenie prevládajúcich procesov na základe priamych meraní; iii) posúdenie transportnej schopnosti prítokov s využitím teoreticko-empirických vzťahov a iv) určovanie predpokladaných morfologických zmien na základe experimentálnych, modelových výskumov.

V súčasnosti sú na určovanie zmien objemu nádrže a získavanie údajov v teréne využívané moderné geodetické technológie a akustické zariadenia. Cieľom práce je detailne popísať metodiku zberu a spracovanie batymetrických údajov malej vodnej nádrže použitím mobilného ultrazvukového zariadenia ADCP bez GPS systému a lode. Výstupom terénneho zamerania a spracovania údajov je séria bodov s informáciami o presnej polohe (X, Y) a výške (H) vodného stĺpca v danom bode a prepočet na absolútnu nadmorskú výšku meraného bodu (Z). Tieto aktuálne údaje možno použiť na analýzu retenčnej kapacity nádrže, určenie objemu sedimentov a ich rozloženie v nádrží za určité predchádzajúce obdobie. Metodický postup na získanie reliéfu dna je aplikovaný na malej vodnej nádrží Vrbovce.

2 METODIKA

Záujmová lokalita sa nachádza na západnom Slovensku v k. ú. obce Vrbovce. Celá oblasť katastrálneho územia je chudobná na zásoby podzemných vôd. Vzhľadom na túto skutočnosť bola juhovýchodne od obce v roku 1966 vybudovaná na toku Zápasečník zásobná nádrž Vrbovce. V súčasnosti je nádrž definovaná ako viacúčelová. V minulosti slúžila najmä ako zásobáreň vody v povodí, ale dnes sa využíva hlavne na rybolov, rekreáciu a tvorí taktiež protipovodňovú ochranu obce. Počas celého roka je v nádrži zachovaná hladina vody na konštantnej nadmorskej výške, samozrejme okrem obdobia s výskytom povodňových udalostí, kedy prichádza k jej zníženiu z bezpečnostného hľadiska a ochrany obce. Záverečný profil povodia s celkovou rozlohou 3,24 km2 tvorí hrádza široká v korune 3,0 m na kóte 350,0 m n. m. Návodný svah je opevnený z lomového kameňa a vzdušný svah je tvorený zahumusovaním a zatrávnením. Na dne nádrže v mieste hrádze sa nachádza výpustný objekt a mimo telesa hrádze je vybudovaný šachtový priepad vo výške 348,25 m n. m. Celá nádrž je široká okolo 85 m a dlhá vyše 150 m (pozri obr. 1).

2.1 Zber aktuálnych batymetrických údajov

Pri plnej prevádzke sa v apríli 2017 uskutočnilo terénne zameranie dna malej vodnej nádrže. Polohopisné a výškopisné zameranie hladiny vody bolo vykonané GPS zariadením s anténou pre informáciu o presnej polohe meraných bodov v súradnicovom systéme S-JTSK. Aktuálne batymetrické údaje boli získané pomocou ultrazvukového prístroja ADCP StreamPro (merací rozsah 0,1 – 6 m s úpravou, sensory pod uhlom 20° s frekvenciou 2 MHz) od firmy Teledyne RD Instruments [4], ktoré v sebe nemalo zabudovanú GPS. Komunikácia so zariadením bola zabezpečená prenosným tabletom pomocou bluetooth. Pre potreby monitorovania zanášania dna nádrže bola plocha nádrže rozdelená 18 priečnymi profilmi vo vzdialenostiach cca 10 m od seba (pozri obr.1). Samotné meranie bolo realizované po jednotlivých priečnych profiloch, pričom bolo nutné natiahnuť cez nádrž oceľové lano slúžiace na vedenie meračského prístroja v danom profile. Lano bolo uchytené o oceľové rúry

192


zabité v zemi na brehu nádrže a ukotvené (zaistené) pomocnými lankami o okolitý terén, kvôli napnutiu vodiaceho lana a stabilite (pozri obr. 2). Následne bol ADCP prístroj položený na hladinu, uchytený karabínou o vodiace lano a ťahaný lanom po vytýčených líniách z jedného brehu na druhý. Meranie bodov bolo realizované vo zvisliciach intervale 0,5 m medzi zameriavanými bodmi, pričom boli získané len údaje o hĺbkach. Pre kontrolu a presnejšie meranie bol každý priečny profil z jedného brehu na druhý zameraný dvakrát. Kontrolné merania preukázali dobrú zhodu s pôvodnými meraniami.

Obr. 1 Situačná schéma vodnej nádrže s 18 vybranými priečnymi profilmi.

Koncové a začiatočné body priečnych profilov (body na brehu pri hladine) boli taktiež polohopisne a výškopisne zamerané GPS zariadením, keďže použitý prístroj ADCP nemal zabudovanú GPS a bolo potrebné určiť polohopisné informácie bodov dna v jednotlivých priečnych profiloch.

V rámci terénneho merania bolo taktiež vykonané polohopisné a výškopisné zameranie brehov a okolitého terénu vo výške hladiny malej vodnej nádrže GPS zariadením pre potreby prepočítania retenčnej kapacity nádrže.

193


Obr. 2 Uchytenie ADCP prístroja o vodiace lano a ťahanie v trajektórii priečneho profilu.

2.2 Spracovanie batymetrických údajov

Spracovanie terénneho merania bolo realizované v programe WinRiver II, ktorý je súčasťou dodávky prístrojov od firmy Teledyne RD Instruments. Výstupom meraní nie sú iba hodnoty o hĺbkach v meraných bodoch nachádzajúcich sa v dráhe priečneho profilu, ale aj údaje o prietoku, plochách prietočného profilu, dĺžky profilu, rýchlosti prístroja a prúdenia vody, a iné. Všetky tieto charakteristiky sú ihneď k dispozícii po meraní v programe WinRiver II a možno teda samotné meranie kontrolovať a v prípade možných neistôt kedykoľvek opakovať. Pre potreby tejto práce boli použité len údaje o hĺbkach, ktoré boli prepočítané na absolútne nadmorské výšky dna na základe známej absolútnej výšky vodnej hladiny v čase merania (348,1 m n. m.). Keďže prístroj ADCP nemal v sebe zabudovanú GPS, presná informácia o polohe – súradnice X a Y nameraných bodov bola získaná v GIS pomocou polohopisne zameraných koncových bodov priečnych profilov. Pre získanie informácie o presnej polohe meraných bodov bol použitý súradnicový systém S-JTSK.

194


3 VÝSLEDKY

Po zbere a spracovaní batymetrických údajov pochádzajúcich z terénneho merania bol vytvorený DMR súčasného stavu dna nádrže (r. 2017) v rámci záplavovej plochy pri hladine vody odčítanej v čase merania (348,10 m n. m.) vo forme rastrového súboru. Pre dostatočne presné definovanie morfológie dna bola zvolená veľkosť rastrovej bunky 0,5 m. Výsledný digitálny model povrchu dna nádrže je znázornený na obr. 3. Kapacita nádrže pri hladine vody v čase terénneho merania predstavuje hodnotu 16688,35 m3, pričom maximálna hĺbka v nádrži nachádzajúca sa pri telese hrádze je 4 m s najnižším bodom nádrže na kóte 344,11 m n. m.

Obr. 3 Digitálny model povrchu dna vodnej nádrže pri hladine vody na kóte 348,10 m n. m.

Zo spracovania polohopisných a výškopisných bodov definujúcich brehy, okolitý terén vodnej nádrže a samozrejme batymetrických údajov bol vytvorený DMR nádrže a jej okolia, pomocou ktorého boli stanovené objemy zásobného ako aj ochranného priestoru malej vodnej nádrže. Ochranný priestor sa nachádza medzi prepadovou hranou bezpečnostného priepadu a maximálnou hladinou, dosiahnutou pri prechode storočnej povodňovej vlny, t.j. zhruba 0,5 m pod kótu koruny hrádze. Kapacity nádrže definujúce tieto priestory sú uvedené v tab. 1.

Priestor nádrže Prevýšenie [m n. m.]

Objem [m3]

Zásobný 344,11 - 348,25 18064,40

Ochranný 348,25 - 349,50 16405,10

Celkom 348,11 - 349,50 34469,50

Tab. 1 Kapacita zásobného a ochranného priestoru malej vodnej nádrže.

195


4 ZÁVER

Ochrana malých území v dôsledku bleskových povodňových udalostí sa stále častejšie stáva kľúčovým problémom. Bleskové povodne tu vždy boli a aj budú, ich výskytu sa nedá úplne zamedziť. Ich účinok je možné však minimalizovať tým, že bude verifikovaný efekt ochrany realizovaných technických protipovodňových opatrení (hrádze a nádrže) pred povodňami, vzhľadom na ich reálny stav, využitie a klimatické podmienky na danom území.

V práci bola detailne opísaná metodika zberu a spracovanie batymetrických údajov zameraných ultrazvukovým prístrojom ADCP bez zabudovaného GPS systému a lode resp. zistený aktuálny reliéf dna vodnej nádrže a okolitého terénu. Výsledný DMR nádrže a okolitého terénu slúži jednak na stanovenie objemu priestorov nádrže, s udaním kót hladín a jednotlivých priestorov, aby nádrž plnila požadované funkcie, ale aj na možné určenie optimálneho spôsobu využitia vodnej nádrže alebo stanovenie intenzity jej možného zanášania pôdnymi časticami zo svahov nad nádržou. Množstvo sedimentov v nádrži v takomto prípade možno zistiť porovnaním s DMR nádrže pochádzajúcim z predchádzajúceho zamerania alebo samotnej realizácie.

Poďakovanie

Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-15-0497, Vedeckou grantovou agentúrou MŠVVaŠ SR v rámci projektu č. VEGA 1/0891/17 a Európskou komisiou v rámci projektu 7RP RECARE, č. 603498.


[1] Ahmed, K. B. and Sanchez, M. (2011). A study of the factors and processes involved in the sedimentation of Tarbela reservoir, Pakistan. Environmental earth sciences, 62(5), 927-933.

[2] Ceylan, A., Karabork, H. and Ekizoglu, I. (2011). An analysis of bathymetric changes in Altinapa reservoir. Carpathian Journal of Earth and Environmental Sciences, 6(2), 15-24.

[3] Dost, R., Mannaerts, C. (2008). Generation of Lake Bathymetry Using Sonar, Satellite Imagery and GIS. ESRI UC 2008, ESRI International User Conference 2008.

[4] Instruments, R. D. (2008). StreamPro ADCP. Operation Manual. San Diego: RD Instruments, s. 112.

[5] Kočický, D., Pauk, J., Kočická, E., Gargalovič, R., Vágó, Z., Vazan, V. and Weis, K. (2002). Erózno-sedimentačné procesy na VN Klenovec. Banská Štiavnica (Esprit s. r. o.), 155.

[6] Kostaschuk, R., Best, J., Villard, P., Peakall, J., Franklin, M. (2004). Measuring flow velocity and sediment transport with an acoustic Doppler current profiler. Geomorphology, 68:25–37,

[7] Kubinský, D., Lehotský, M., Weis, k. (2014b). Changes in bathymetry and land cover of riparian zone of an old artificial water reservoir Veľký Kolpašký. Carpathian Journal of Earth and Environmental Sciences, 9, 171-178.

[8] Sočuvka, V., Ivan, P., Hlavčová, K., Kohnová, S., Velísková, Y. (2016). Analýza zanášania poldra Svacenický jarok. In Acta hydrologica Slovaca. Roč. 17, 1, 117-124.

[9] Yin, X. A., Yang, Z. F., Petts, G. E. and Kondolf, G. M. (2014). A reservoir operating method for riverine ecosystem protection, reservoir sedimentation control and water supply. Journal of hydrology, 512, 379-387.

[10] Yun, H.S. and Cho, J.M. (2011). Hydroacoustic application of bathymetry and geological survey for efficient reservoir management. Journal of the Korean Society of Surveying Geodesy Photogrammetry and Cartography, 29, 2, 209-217.

196