Wróć do listy publikacji

20.01.2016 – Mateusz Florek, Dyrektor SPEBK

Ekonomia stosowania betonu w kanalizacji

Ekonomika stosowania betonu w systemach kanalizacyjnych – porównanie nowoczesnych prefabrykatów betonowych z żelbetowymi.

Jednym z celów działań Stowarzyszenia Elementów Betonowych dla Kanalizacji jest rozpowszechnianie kompetentnych i rzetelnych informacji o betonie, jako materiale do budowy godnych zaufania i polecenia systemów odprowadzania ścieków i wód opadowych. W poniższym opracowaniu przedstawimy ekonomiczny aspekt stosowania nowoczesnych prefabrykatów betonowych dla kanalizacji.

Beton będąc niezwykle uniwersalnym materiałem znajdującym zastosowanie w budownictwie naziemnym i drogowym jest oczywiście nie od wczoraj znany również w kanalizacji. Wraz z postępem technicznym metody budowania przy użyciu tego materiału uległy dużym zmianom we wszystkich obszarach jego zastosowania. W drugiej połowie XX wieku metody rzemieślnicze zostały wyparte przez proces prefabrykacji. Metody rzemieślnicze, choć gwarantowały bardzo wysoką jakość stały się z czasem niewystarczająco efektywne. Prefabrykacja zaś z czasem, dzięki coraz wyższemu zaawansowaniu technologicznemu przy ogromnej wydajności pozwalała na produkcję betonowych elementów o coraz wyższej jakości. Obecnie zakłady prefabrykacji dysponujące odpowiednim zapleczem technicznym zdolne są produkować elementy betonowe odpowiadające wysokim wymaganiom stawianym w normach technicznych. Dla prefabrykatów stosowanych w kanalizacji, tj. studni kanalizacyjnych i rur zharmonizowane normy europejskie, odpowiednio PNEN 1917:2004 „Studzienki włazowe i nie włazowe z betonu niezbrojonego, betonu zbrojonego włóknem stalowym i żelbetowe” i PNEN 1916:2005 „Rury i kształtki z betonu niezbrojonego, betonu zbrojonego włóknem stalowym i żelbetowe” stawiają wymagania, których spełnienie ma zapewnić bezawaryjne eksploatowanie betonowych kolektorów przez 90 - 100 lat. Nowoczesne metody produkcji gwarantują spełnienie zawartych w ww. normach wymagań oraz dzięki ogromnej wydajności powodują, że wysoka jakość idzie w parze z rozsądną ceną. Z tego punktu widzenia stosowanie nowoczesnych prefabrykatów betonowych w kanalizacji jest ekonomicznie uzasadnione.

Naturalnie ekonomiczne uzasadnienie stosowania betonu powinno opierać się na jego porównaniu z innymi różnymi, obecnie dostępnymi i z powodzeniem stosowanymi materiałami.

Poniżej chcę przedstawić porównanie kosztów budowy kolektora sanitarnego z betonu oraz z żelbetu. Porównanie w tak ograniczonym zakresie może wydawać się mało miarodajne, nie mniej dokonane w oparciu o rzetelne dane dotyczące cech obu materiałów oraz ich cen może prowadzić do interesujących konkluzji. Oba materiały są powszechnie stosowane do budowy systemów kanalizacyjnych co sprawia, że ich bezpośrednie porównanie, szczególnie pod względem ekonomiki jest jak najbardziej zasadne. Dodatkowym czynnikiem, który ma niemałe znaczenie w tym zakresie jest powszechna praktyka stosowania izolacji zewnętrznej powierzchni kręgów betonowych oraz pierścieni odciążających nad zwieńczeniami studni.

Na potrzeby niniejszego opracowania zleciliśmy przygotowanie kosztorysów budowy kolektora sanitarnego Ø 400 – 500mm w terenie zabudowanym w zagłębieniu 2 m i 4m o długości 371 m, przy czym Ø 400 to 176 m, a Ø 500 - 195 m. W kolektorze na całej długości znajdują się 4 studnie ø 1000, 4 studnie ø 1200 i 1 studnia ø 1500. Grunt rodzimy kl. III transportowany na odległość 3 km.


Rys. 1 - konstrukcja studni zgodnie z PNEN1917:2004

Konstrukcja wszystkich studni zgodnie z normą PNEN 1917:2004 opiera się o:

  1. prefabrykowane dennice betonowe wyposażone w zakładzie prefabrykacji w kinetę betonową, przejścia szczelne dla rur betonowych i stopnie złazowe,
  2. prefabrykowane betonowe kręgi fabrycznie wyposażone w stopnie złazowe łączone na uszczelki elastomerowe,
  3. zwężki betonowe fabrycznie wyposażone w stopnie złazowe
  4. oraz pierścienie wyrównujące.

Ze względu na całkowite wysokości studni 2m i 4m zrezygnowaliśmy z płyt redukcyjnych.

Zgodnie z normą PNEN 1917:2004 wszystkie elementy studni wykonano z betonu o minimalnej wytrzymałości na ściskanie 40 MPa (klasa betonu min. C35/45), o nasiąkliwości poniżej 6%, wytrzymałości na zgniatanie – klasa 30. Zwężki wytrzymałe na obciążenia pionowe minimum 300kN. Skonstruowane z odpowiadających powyższym wymaganiom elementów studnie mogą być stosowane w zagłębieniu do 6 m bez potrzeby dokonywania dodatkowych obliczeń wytrzymałości konstrukcji studni.

Biorąc pod uwagę powyżej opisane cechy w wersji 1 kosztorysu umieszczone zostały wyłącznie elementy betonowe.

Kolejną istotną cechą elementów prefabrykowanych z betonu klasy nie niższej, niż C35/45 jest jego odporność na agresję gruntu. Zgodnie z normami PN- 82/B-0181, PN-EN 206-1, PN-B-03264, PN-EN 1916, PN-EN 1917 w konstrukcjach betonowych dla zapewnienia wymaganej trwałości wystarczy ochrona materiałowo-strukturalna betonu. Dane dotyczące ochrony materiałowo-strukturalnej betonu w odniesieniu do czynników zewnętrznych zawiera tabela 1.

Tabela 1. (Opracowanie: TechBet - Przemysław Łapiński)
Typ zagrożenia wskutek agresji zewnętrznej Klasa ekspozycji Opis środowiska Zabezpieczenie stanowi sam beton
Brak agresji XO

Dla betonów niezbrojonych wszystkie klasy ekspozycji oprócz XF, XA oraz obciążeń ścierających;

Dla betonów zbrojonych: środowisko bardzo suche

Tak
Karbonatyzacja XC1 Suche Tak
XC2 Przeważnie mokre Tak
XC3 Umiarkowanie wilgotne Tak
XC4 Cyklicznie: suche - mokre Tak
Korozja chlorkowa w strefie śródlądowej XD1 Umiarkowanie wilgotne Tak
XD2 Przeważnie mokre Tak
XD3 Cyklicznie: suche - mokre Tak
Agresja spowodowana zamrażaniem i rozmrażaniem XF1 Nawilżanie umiarkowane, brak ingerencji środków odladzających Tak
XF2 Nawilżanie umiarkowane, łącznie z oddziaływaniem środków odladzających Tak
XF3 Nawilżanie wysokie, brak ingerencji środków odladzających Tak
XF4 Nawilżanie wysokie, łącznie z oddziaływaniem środków odladzających Tak
Agresja chemiczna XA1 Słabo agresywne Tak
XA2 Średnio agresywne Tak*
XA3 Silnie agresywne Tak*

* - za wyjątkiem agresji siarczanowej

Zastosowanie betonu odpornego na działanie powyżej przedstawionych czynników umożliwia w „betonowej” wersji kosztorysu, w odniesieniu do zapisów Katalogów Nakładów Rzeczowych zastosowanie „bonifikaty za izolację zewnętrznych powierzchni kręgów betonowych lepikiem asfaltowym stosowanym na zimno do gruntowania i izolacji ABIZOL R i roztworem asfaltowym ABIZOL P”

Ostatnim ważnym aspektem z punktu widzenia ekonomiki budowy studni z nowoczesnych prefabrykatów betonowych zgodnych z normą PNEN 1917:2004 jest ogromna odporność zwężek, kręgów i dennic na oddziaływanie obciążeń od ruchu kołowego na jezdni znajdującej się nad kolektorem kanalizacyjnym. Zgodnie z zapisami normy PNEN 1917:2004 zwężki i płyty przykrywowe mają wytrzymać obciążenie nie mniejsze niż 300kN, tj. 30 ton. Po przeliczeniu powierzchni betonu zawartego w przekroju kręgu ø 1000 o grubości ściany 120 mm (0,52m²) odpornego na ściskanie min. 40 MPa otrzymujemy odporność kręgu na przenoszenie obciążeń rzędu 2 000 ton. Studnia w pasie drogowym poddawana jest obciążeniom dynamicznym. Zgodnie z wytycznymi ATV A127 na obciążenia przewodów kanalizacyjnych maksymalny współczynnik dynamiczny przyjmuje się na poziomie 1,4. Maksymalne zgodne z dyrektywą UE obciążenie osi pojazdów określone jest na poziomie 115 kN, zatem maksymalne obciążenie pojedynczego koła, które bezpośrednio obciąży studnię to w przybliżeniu 6 ton. Pomnożywszy 6t przez współczynnik dynamiczny 1,4 otrzymujemy obciążenie na studnię na poziomie 8,4 tony.

Konkludując, maksymalne obciążenie, z jakim możemy spotkać się w pasie ruchu kołowego jest ponad 3,5 raza mniejsze od wymaganej normą wytrzymałości płyt przykrywowych i zwężek, o wytrzymałości kręgów komory roboczej, komina i dennic nie wspominając.

Tak ogromne wartości pozwalają na rezygnację ze stosowania pierścieni odciążających, które są „charakterystycznymi elementami osłonowymi dla posadowionych w pasach drogowych obiektów o stosunkowo niewielkiej wytrzymałości, powodującym rozkładanie się obciążeń od transportu na stosunkowo dużą powierzchnię, a więc powinien być stosowany tam, gdzie konstrukcja obiektu nie jest przeznaczona do przenoszenia odpowiednich obciążeń” Biorąc pod uwagę powyżej przedstawione wartości jednoznacznie można stwierdzić, że betonowa studnia nie jest obiektem o małej wytrzymałości.

Zgodnie z założeniami przyjętymi w kosztorysie dno studni posadawiane jest na 15 cm warstwie zagęszczonego piachu na dnie wykopu na gruncie rodzimym. Z wykopu w celu posadowienia studni o wys. 4 m usunięto ok. 8m³ gruntu o wadze ok. 9,5 ton. (dla studni głęb. 2 m będzie to ok. 4m³ - 5 ton).Studnie posadawiane na głębokości odp. 4 i 2 m będą ważyć ok. 7 300 kg i 3 300kg. Ich waga porównywalna do wagi gruntu wydobytego z wykopu będzie gwarantowała, ze dno wykopu będzie „pracowało” pod zbliżonym do naturalnego obciążeniem. Dodatkowa stabilizacja zagęszczonym piachem spowoduje, że wyeliminowane zostanie zjawisko zapadania się studni pod kołami samochodu.

Powyżej opisane studnie kanalizacyjne w założeniu kosztorysu połączyliśmy rurociągiem składającym się rur betonowych typu „WIPRO” fabrycznie wyposażonych w uszczelki elastomerowe trwale połączone z kielichem rury w procesie prefabrykacji.


Rys.2 – rura betonowa WIPRO z zawibrowaną uszczelką

Norma PNEN 1016:2005 stawia identyczne wymagania dla betonu używanego do prefabrykacji rur, jak PNEN 1917:2004 dla elementów studni. Wszystkie zatem cechy w zakresie odporności na działanie gruntu są tożsame z cechami studni, które przedstawiłem powyżej. Stosowanie betonu o wytrzymałości na ściskanie min. 40 MPa pozwala na ich posadawianie w gruncie na głębokości od 0,6 do 6 m bez potrzeby dokonywania dodatkowych obliczeń. Dzięki wystarczającej ochronie materiałowo- strukturalnej betonu klasy min. C35/45 mogliśmy dokonać bonifikaty za izolację powierzchni zewnętrznych rur lepikiem asfaltowym ABIZOL P i ABIZOL R.

Kolejnym ważnym aspektem, tutaj wspólnym dla rur betonowych i żelbetowych, z punktu widzenia ekonomiki ich stosowania w systemach kanalizacyjnych jest sztywność mająca zasadnicze znaczenie dla konstrukcji rura-grunt. W przypadku rurociągu betonowego i żelbetowego ok. 85% wytrzymałości zależy od wytrzymałości rur, zaś pozostałe 15% od wytrzymałości otaczającego go gruntu. Uwzględniając tę cechę rur sztywnych w kosztorysie założyliśmy posadowienie rurociągu na 15 cm podsypce z piachu i obsypkę z odpowiednio zgęszczonego piachu do wysokości połowy przekroju rurociągu. Pozostała obsypka wykonana została z gruntu rodzimego. Takie założenie, choć powinno być porównane z metodami odpowiedniego posadowienia rurociągów podatnych na zginanie, daje duże oszczędności z tytułu braku potrzeby przywożenia i odpowiedniego zagęszczania obsypki powyżej połowy przekroju rurociągu.

Powyżej opisane elementy betonowe posłużyły do „wybudowania” kolektora w następującej konfiguracji:

  • studnie ø 1000, wys. 4m – składowe: dennica h=1,0m – 1 szt.; krąg h=1,0m – 2 szt.; zwężka 1000/625, h=0,6m – 1 szt., pierścienie wyrównawcze h=0,10, 0,08 i 0,06m po jednej szt.; właz żeliwny h=0,15m – 1 szt.
  • studnie ø 1200 wys. 4m – składowe, jak powyżej

Ogółem 4 szt. studni ø 1000 i 4 szt. ø 1200 w kolektorze

  • studnia ø 1500, wys. 4m - składowe: dennica h=1,0m – szt. 1; kręgi h=1,0m – szt. 2; krąg h=0,5 – szt. 1; płyta przykrywowa ø 1800, h=0,3m – szt. 1; pierścień wyrównawczy h=0,06; właz żeliwny h=0,15m

Ogółem 1 szt. studni ø 1500 w kolektorze

  • studnie ø 1000, wys. 2m – składowe: dennica h=1,0m, krąg h=0,25m, zwężka 1200/625, h=0,6m; właz żeliwny h=0,15m.
  • studnie ø 1200, wys. 2m – składowe jak powyżej
  • studnia ø 1500, wys. 2m – składowe: dennica h=1,0m – 1 szt.; krąg h=0,5m – 1 szt.; płyta przykrywowa ø1800, h=0,3m – 1 szt.; pierścień wyrównawczy h=0,06m – 1 szt.; właz żeliwny h=0,15m – 1 szt.

Ilości studni, jak powyżej w zagłębieniu 4m.

  • rurociąg ø 400 części składowe: rura betonowa typu „WIPRO” , dł. 2,5m – 71 szt.
  • rurociąg ø 500, części składowe: rura betonowa typu „WIPRO”, dł. 2,5m – 78 szt.

Na potrzeby porównania kolektor żelbetowy w kosztorysie w wersji 2 złożony został z elementów żelbetowych o takich samych wymiarach, w takiej konfiguracji, jak betonowy. Ze względu jednak na fakt, iż bardzo często dodatkowym wyposażeniem w projektach są jeszcze pierścienie odciążające, zwężki ø 1000/625 i ø 1200/625, h=0,6m będące składowymi w kosztorysie w wersji 1, zamieniliśmy na kręgi żelbetowe odpowiednio ø 1000, h=0,5m i ø 1200, h=0,5m oraz na każdą studnię dodaliśmy pierścień odciążający z płytą przykrywową. Dla studni ø1000 przewidzieliśmy montaż pierścienia ø1950/1400 + płyta przykrywowa ø 1800, h=0,3m, dla studni ø 1200 pierścień ø2230/1600 + płyta przykrywowa ø 2100, h=0,3m. Studnia ø 1500 pozostała z płytą przykrywową posadowioną na zwieńczeniu studni bez pierścienia odciążającego. Biorąc pod uwagę fakt, że w ogromnej liczbie projektów przewidziana jest jeszcze izolacja powierzchni zewnętrznych kręgów, co znajduje swoje odbicie w Katalogach Nakładów Rzeczowych do kolektora żelbetowego z pierścieniami odciążającymi dodaliśmy nakłady z tytułu izolacji lepikiem asfaltowym ABIZOL P i ABIZOL R.

W ten sposób dokonaliśmy porównania kolektora betonowego bez zbędnych zdaniem producentów zrzeszonych w SPEBK pierścieni odciążających i izolacji zewnętrznej z najmniej korzystnie zaprojektowanym kolektorem z żelbetu, którego zastosowanie w zagłębieniu 2 i 4 m nie ma żadnego uzasadnienia, dodatkowo wyposażonego w pierścienie odciążające i izolację. Niestety tak skonfigurowane kolektory są niezmiernie często projektowane w Polsce i dlatego uznaliśmy za ważne, aby przedstawić aspekt ekonomiczny tych dwóch przedsięwzięć.

W obu kosztorysach przyjęliśmy, że nakłady z tytułu robocizny i sprzętu dla posadowienia kolektora betonowego i żelbetowego pozostają takie same. Różnica w kosztach całkowitych wynikać będzie zatem z różnicy cen zakupu prefabrykatów betonowych i żelbetowych oraz nakładów z tytułu izolacji zewnętrznej. Ceny prefabrykatów betonowych i żelbetowych uzyskaliśmy poprzez uśrednienie cen 10 poniżej przedstawionych firm produkcyjnych będących Członkami SPEBK. Co istotne ceny użyte w kosztorysie są cenami detalicznymi, które z całą pewnością różnią się od tych, które funkcjonują na bardzo konkurencyjnym obecnie rynku.

Tabela 2. poniżej przedstawia zestawienie kosztów budowy kolektorów zagłębionych na 4,0 i 2,0 metra z betonu, żelbetu oraz żelbetu dodatkowo wyposażonego w izolację zewnętrznych powierzchni studni  oraz pierścienie odciążające.

Tabela 2.1 - przedstawia zestawienie kosztów budowy kolektorów zagłębionych na 4,0 metra
Kolektor Betonowy Kolektor Żelbetowy Kolektor Żelbetowy + izolacja zewn.+ pierścienie odciążające
Koszt jednostkowy elementów kolektora Koszt jednostkowy elementów kolektora Koszt jednostkowy elementów kolektora
Rurociąg ø 400/500- 371m. 39 816,01zł 47 656,28zł 47 656,28zł
178,95zł/m 199,58zł/m 199,58zł/m
Studnia ø 1500–szt.1 5 687,59zł 8 414,16zł 8651,7 zł
5 687,59/szt. 8 414,16/szt. 8 651,70/szt.
Studnia  ø 1200-szt.4 13 114,32zł 15 986,32zł 20 875,28zł
4 415,6/szt. 5 133,6/szt. 6 355,84/szt.
Studnie ø 1000-szt.4 10 326,32zł 12 758,32zł 16 075,48zł
3585,05/szt. 4193,05/szt. 5022,34/szt.
Razem koszty materiałów w złotych Beton Żelbet Żelbet + izolacja + pierścienie odciążające      
68944,24 zł 83361,55 zł 91805,21 zł
Robocizna, sprzęt, koszty pośr., zysk w złotych – wartość stała 261 683,70zł 261 683,70zł 261 683,70zł
Razem  – koszt budowy kolektora w złotych 330627,94 zł 345 045,25zł 353 488,91zł
Tabela 2.2 - przedstawia zestawienie kosztów budowy kolektorów zagłębionych na 2,0 metra
Kolektor Betonowy Kolektor Żelbetowy Kolektor Żelbetowy + izolacja zewn.+ pierścienie odciążające
Koszt jednostkowy elementów kolektora Koszt jednostkowy elementów kolektora Koszt jednostkowy elementów kolektora
 Rurociąg ø 400/500- 371m. 39 816,01zł 47 656,28zł 47 656,28zł
178,95zł/m 199,58zł/m 199,58zł/m
Studnia ø 1500–szt.1 3953,29zł 4742,29zł 4850,57zł
3953,29/szt. 4742,29/szt. 4850,57/szt.
Studnia ø 1200-szt.4 9 984,88zł 11 936,32zł 16 832,40zł
2496,22/szt. 2984,08szt. 4208,10/szt.
Studnie ø 1000-szt.4 8 168,60zł 9 828,60zł 13 316,40zł
2042,15/szt. 2457,15/szt. 3329,10/szt.
Razem koszty materiałów w złotych Beton Żelbet Żelbet + izolacja +  pierścienie odciążające
61923,68 zł 74164,39 zł 82 656,55zł
Robocizna, sprzęt, koszty pośr., zysk w złotych – wartość stała 151 482,26zł 151 482,26zł 151 482,26zł
Razem  – koszt budowy kolektora w złotych 213 405,94zł 225 646,65zł 234 138,81zł

Wyraźne różnice w kosztach z tytułu stosowania betonu i żelbetu oraz dodatkowego uzupełnienia kolektora o izolację i pierścienie odciążające w ujęciu kwotowym i procentowym przedstawione są w tabeli 3.

Tabela 3
4,0 m Beton Różnica Żelbet Różnica Żelbet + izolacja + pierścienie odciążające
Materiały 68944,24 zł 14 417,31 zł; 21% 83361,55 zł 8 443,66 zł ; 12% 91805,21 zł
22 860,97 zł ; 33%
Koszt kolektora 330627,94 zł 14 417 zł ;     4% 345 045,25 zł 8 443,66 zł ;  3% 353 488,91 zł
22 860,97 zł ; 7%
2,0 m Beton Różnica Żelbet Różnica Żelbet + izolacja + pierścienie odciążające
Materiały 61923,68 zł 12 240,71 zł ; 21% 74164,39 zł 8 492,16 zł ; 12% 82 656,55 zł
20 732,87 zł ; 33%
Koszt kolektora 213 405,94 zł 12 240,71 zł ; 6% 225 646,65 zł 8 492,16 zł ;  4% 234 138,81 zł
20 732,87 zł ; 10%

Powyżej przedstawione wartości kwotowe i procentowe ukazują fakt, iż stosowanie nowoczesnych betonowych elementów dla kanalizacji spełniających wymagania norm jest z punktu widzenia ekonomiki inwestycji w systemy kanalizacyjne znacznie bardziej opłacalne od stosowania żelbetu z „dodatkami”. Można powiedzieć, że bez powyżej przedstawionej analizy wiadomo było, że dodatek zbrojenia stalowego, lepiku asfaltowego i pierścieni odciążających będzie generowało dodatkowe koszty. Po dokonaniu jej widać jednak, że te dodatkowe koszty są bardzo duże. Ponadto biorąc pod uwagę cechy nowoczesnego betonu, z którego powstają obecnie studnie i rury warto zastanowić się czy te niemałe dodatkowe koszty są naprawdę uzasadnione.

Producenci zrzeszeni w SPEBK stoją na stanowisku, że nie. To opracowanie miało uzasadnić te tezę.

Sprawdź również

Właściwa jakość kanalizacji betonowej

Systemy kanalizacyjne, jak większość infrastruktury podziemnej, po zakończeniu budowy są zakryte i ich pełna ocena pod względem jakości jest bardzo utrudniona, a w niektórych wypadkach wręcz niemożliwa bez zastosowania specjalistycznego sprzętu.

12.05.2006

Zatwierdzanie wyrobów prefabrykowanych betonowych i żelbetowych elementów sieci kanalizacyjnej w procesie rozpoczynania inwestycji publicznych

Poprzedni artykuł - publikacja Stowarzyszenia Producentów Elementów Betonowych dla Kanalizacji poruszył kilka wątków dotyczących błędnych zapisów projektowych, które nastręczają producentom szereg określonych problemów w procesie akceptacji wyrobu dla inwestycji publicznych, takich jak: budowa dróg czy kanalizacji deszczowych i sanitarnych. Ofiarą tych niedobrych praktyk stały się również studzienki kanalizacyjne.

12.05.2011