BUDOWNICTWO I ARCHITEKTURA ISSN 1899-0665 Vol

Politechnika Lubelska Wydział Budownictwa i Architektury 2016

Vol. 15(3) Vol.

BUDOWNICTWO I ARCHITEKTURA ISSN 1899-0665 Vol. 15(3) 2016 Politechnika Lubelska

BUDOWNICTWO I ARCHITEKTURA – Lublin, 2016 Politechnika Lubelska Wydział Budownictwa i Architektury

Vol. 15(3) 2016

Politechnika Lubelska Lublin, 2016 Rada Naukowa Tomasz Bajda (AGH Kraków) Ivan Baláž (University of Economics in Bratislava) Mykola Bevz (National University Lviv Polytechnic) Grażyna Dąbrowska-Milewska (Politechnika Białostocka) Wiesława Głodkowska (Politechnika Koszalińska) Adam Goliger (The Council for Scientific and Industrial Research - CSIR) Zbyněk Keršner (Brno University of Technology) Halit Cenan Mertol (Atilim University) Carlos M. Mozos (University of Castilla - La Mancha) Adam Nadolny (Politechnika Poznańska) Sandro Parrinello (Pavia University) Stanislav Pospíšil (Institute of Theoretical and Applied Mechanics) Wojciech Radomski (Politechnika Łódzka i Politechnika Warszawska) Elżbieta Radziszewska-Zielina (Politechnika Krakowska) Petro Rychkov (National University of Water Management and Nature Resources Use) Shamsher Bahadur Singh (Birla Institute of Technology and Science) Anna Sobotka (AGH Kraków) Thomas Thiis (Norwegian University of Life Sciences) Viktor Tur (Technical University of Brest) Tim K.T. Tse (The Hong Kong University of Science and Technology)

Kolegium Redakcyjne Redaktor naczelny: Wojciech Franus

Redaktorzy Tematyczni: Stanisław Fic, Joanna Giecewicz, Anna Halicka, Piotr Jaśkowski, Jan Wrana, Jan Kukiełka, Tomasz Lipecki, Marek Łagoda, Wojciech Piasta, Jadwiga Roguska, Małgorzata Rozbicka, Elżbieta Ryńska, Bogusław Szmygin, Maciej Trochonowicz, Magdalena Wdowin, Daniel Załuski

Sekretariat: Lidia Bandura

Adres redakcji: Politechnika Lubelska, Wydział Budownictwa i Architektury ul. Nadbystrzycka 40, 20-618 Lublin, e-mail: [email protected]

Strona czasopisma: http://wbia.pollub.pl/pl/o-wydziale/czasopismo-budownictwo-i-architektura

Publikacja wydana za zgodą Rektora Politechniki Lubelskiej Finansowana w ramach środków Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego

ISSN 1899-0665

Realizacja: Biblioteka Politechniki Lubelskiej Ośrodek ds. Wydawnictw i Biblioteki Cyfrowej ul. Nadbystrzycka 36A, 20-618 Lublin, email: [email protected] Fundacja Rozwoju Politechniki Lubelskiej SPIS TREŚCI CONTENTS

Michał Pieńko, Aleksander Robak, Ewa Błazik-Borowa: Wyzwania w budownictwie i nauczaniu inżynierów budownictwa Challenges in the construction industry and teaching civil engineers ...... 5

Marek Grabias, Anna Halicka, Małgorzata Snela, Jerzy Szerafin: Projektowanie konstrukcji budowlanych z uwagi na warunki pożarowe jako podstawa bezpieczeństwa ludzi i mienia w czasie pożaru obiektu budowlaneg Designing of building structures for fire conditions as a basis of people and estate during fire of building ...... 21

Tomasz Lipecki, Paulina Jamińska: Issues of contemporary wind engineering and aerodynamics of building structures ...... 29

Nataliya Lushnikova: Approaches to Teaching Building Materials and Technologies for Energy-Efficient Sustainable Construction ...... 53

Mateusz Jabłoński, Wojciech Jaśkowski: Przegląd technik inwentaryzacji rury szybowej The usage of telemetry measurements methods in order to determine shaft tube ...... 63

Justyna Jaroszyńska-Wolińska, Szymon Maliowski:

Numerical methods in understanding reaction pathways NOx oxidation ...... 75

Anna Trembecka: Analiza wybranych postępowań związanych z wydzielaniem gruntów nabytych z mocy prawa Analysis of selected procedures associated with parceling out of land acquired by virtue of law ...... 83

Mariola Chomczyńska, Vladimir Soldatov: Możliwości wykorzystania substratu jonitowego i archebakterii do wspomagania rozwoju roślin na gruntach jałowych Application of ion exchange substrate and Archaea organisms for enhanced plant development on barren grounds ...... 91

Sylwia Kulczewska, Walery Jezierski: Analiza rozwiązań złożonych mostków termicznych pod względem udoskonalania ich parametrów cieplnych The analysis of complex thermal bridges solutions in terms of improving their thermal parameters ...... 99

Jerzy Szołomicki, Piotr Berkowski: Aqua Tower w Chicago – nieenergooszczędny ekologiczny wieżowiec (ikona modernistycznej architektury) Aqua Tower in Chicago – non-energy efficient ecological skyscraper (icon of modernist architecture) ...... 107 4 Przemysław Brzyski, Katarzyna Świderczuk: Modyfikacja spoiwa wapiennego gipsem oraz metakaolinitem Modified lime binder with gypsum and metakaolin ...... 125

Marzena Jaromińska: Badania zmian współczynnika filtracji w zależności od wskaźnika porowatości w gruntach słabonośnych Investigation the changes of permeability coefficient depending on the void ratio in soft soil ...... 135

Magdalena Patro, Agnieszka Koper: Ogrody wertykalne jako efektowny element zieleni w krajobrazie zurbanizowanym Vertical gardens as an eye-catching element of greenery in urban landscape ...... 145 Budownictwo i Architektura 15(3) (2016) 5-19

Wyzwania w budownictwie i nauczaniu inżynierów budownictwa

Ewa Błazik-Borowa

Katedra Mechaniki Budowli, Wydział Budownictwa i Architektury, Politechnika Lubelska, e–mail: [email protected]

Streszczenie: W pracy omówiono problem zakresu kształcenia inżyniera budownictwa w okresie intensywnego rozwoju technologii, wzrostu wymagań w odniesieniu do obiektów budowlanych oraz wzrostu oczekiwań społecznych w odniesieniu do osób pełnią- cych samodzielne funkcje techniczne. W artykule omówiono przykładowe rozwiązania zmniejszające energochłonność budynków, tematykę projektowania i wznoszenia budyn- ków wysokich z uwzględnieniem aspektów zrównoważonego rozwoju, technologie rewitalizacji obiektów zabytkowych, które straciły swoje funkcje w związku z przemianami spo- łecznymi, zasady współpracy pomiędzy branżami oraz problem odpowiedzialności inżynie- ra budownictwa za zespoły, którymi kieruje. Wykazano, że studia powinny przekazywać taki zasób wiedzy, aby z jednej strony uświadomić inżynierowi, jak ważny jest jego zawód dla społeczeństwa a z drugiej strony mogły być podstawą do dalszego samodzielnego poszerzenia wiedzy. Słowa kluczowe: kwalifikacje zawodowe, problemy inżynierskie, nowoczesne technologie, etyka zawodu inżyniera budownictwa.

1. Wprowadzenie

Celem artykułu jest pokazanie rozwoju budownictwa na wybranych przykładach roz- wiązań konstrukcyjnych i technologicznych oraz wynikającej z tej sytuacji konieczności zmian w nauczaniu przyszłych inżynierów budownictwa. Przed przystąpieniem do prezentacji propozycji nauczania na II stopniu studiów na kierunku Budownictwo na specjalności Konstrukcje Budowlane i Technologie Ekologiczne należy się zastanowić nad tym czego należy oczekiwać od magistra inżyniera budownictwa, który ma pełnić samodzielną funkcję techniczną w budownictwie w zawodzie zaufania publicznego czyli takiego, który wpływa na nasze otoczenie oraz decyduje o naszym codziennym bezpieczeństwie. W babilońskim Kodeksie Hammurabiego, zapisanym na steli około 1750 roku p.n.e., wymienionych jest kilka wybranych zawodów i są to sędziowie, lekarze, agenci handlowi, kapłani, weterynarze oraz właśnie „budowniczy”. W odniesieniu do wymienionych zawo- dów w Kodeksie zapisano oficjalne wysokości honorariów, kary za postępowanie niezgod- ne z etosem zawodowym oraz kary i odszkodowania przewidziane za błędne wykonywanie zawodu. Zawody te charakteryzują się tym, że społeczeństwo, korzystając z usług danej branży, powinno móc zaufać wykonawcy pracy. Do zawodów zaufania publicznego zalicza się zawody o szczególnym charakterze z punktu widzenia zadań publicznych i ważnych z punktu widzenia interesu publicznego. W przypadku budownictwa to zaufanie dotyczy przede wszystkim tego, że obiekty z których korzystamy są bezpieczne a użyte materiały prawidłowo dobrane. To słowo „prawidłowo” oznacza tutaj dobór zarówno ze względów 6 Ewa Błazik-Borowa ekonomicznych jak i technologicznych a ostatnio uwzględniający także aspekty zrównowa- żonego rozwoju. Może ta tematyka nie miałyby tak dużego znaczenia, gdyby nie powszech- na obecność budownictwa w naszym życiu. Wszystkie dziedziny gospodarki korzystają z obiektów budowlanych a każdy człowiek korzysta z budynków jako swojego miejsca zamieszkania, pracy lub budynków użyteczności publicznej. Ten artykuł dotyczy głównie budownictwa kubaturowego, ale wymienione aspekty dotyczą również budownictwa komu- nikacyjnego i inżynierii sanitarnej. Fakt, że inżynier budownictwa jest zawodem zaufania publicznego oznacza, że społe- czeństwo ma prawo oczekiwać od inżyniera budownictwa, że w swojej pracy będzie kiero- wał się zasadami etycznymi i będzie brał pod uwagę dobro publiczne we wszystkich formach swojej działalności, tzn. podczas wykonywania swojego zawodu, podczas zarządzania zespołem, w kontaktach z kooperantami, współpracownikami a w szczególności klientami. Już sam fakt, że inżynier budowlany wykonuje zawód zaufania publicznego wymaga od niego poszanowania środowiska i myślenia o przyszłości kolejnych pokoleń, a więc musi posiadać świadomość stosowania zasad zrównoważonego rozwoju. Z drugiej strony trzeba zdawać sobie sprawę, że są ludzie których nie stać na nowe drogie technologie. Należy więc poszukiwać rozwiązań ekologicznych, ale i ekonomicznych, oszczędzających nie tylko energię, ale również zasoby kieszeni klientów. Biorąc to pod uwagę można powiedzieć, że inżynier budownictwa powinien posiadać trzy cechy: świadomość ekologiczną, wiedzę i umiejętności inżynierskie oraz kompetencje społeczne (rys. 1). Zestaw przedmiotów specjalności Konstrukcje Budowlane i Technologie Ekologiczne został dobrany w taki sposób, aby pokryć wymienione kompetencje. Dobierając przedmioty kierowano się rów- nież tym, że absolwent powinien posiadać rzetelną i uporządkowaną wiedzę, która pozwoli mu na realizację obiektów budowlanych zgodnie z najnowszymi trendami. Przyjęto, że znaczną część podstaw teoretycznych opanował na studiach I stopnia. Natomiast celem studiowania na II stopniu studiów jest rozszerzeniem posiadanej wiedzy i umiejętności oraz ukształtowanie świadomości znaczenia zawodu inżyniera budownictwa. W pracy zaprezentowano przykłady nowych technologii i rozwiązań konstrukcyjnych oraz problemów społecznych, z którymi w swojej pracy spotyka się inżynier budownictwa. Na tej podstawie zobrazowano główne cechy programu i planów studiów studiów na kierunku Budownictwo, które będą gwarantowały przydatność absolwentów dla społeczeń- stwa.

Rys. 1. Cechy inżyniera budowlanego jako przedstawiciela zawodu zaufania publicznego Wyzwania w budownictwie i nauczaniu inżynierów budownictwa 7 ekonomicznych jak i technologicznych a ostatnio uwzględniający także aspekty zrównowa- 2. Świadomość ekologiczna żonego rozwoju. Może ta tematyka nie miałyby tak dużego znaczenia, gdyby nie powszech- na obecność budownictwa w naszym życiu. Wszystkie dziedziny gospodarki korzystają 2.1. Informacje ogólne z obiektów budowlanych a każdy człowiek korzysta z budynków jako swojego miejsca zamieszkania, pracy lub budynków użyteczności publicznej. Ten artykuł dotyczy głównie Budownictwo jest działem gospodarki, który ma bardzo silny wpływ na środowisko budownictwa kubaturowego, ale wymienione aspekty dotyczą również budownictwa komu- naturalne. Wszystkie etapy cyklu życia obiektu budowlanego (rys. 2) są związane zarówno nikacyjnego i inżynierii sanitarnej. z wpływem na otoczenie jak i energochłonnością. To oddziaływanie jest związane z tym, że Fakt, że inżynier budownictwa jest zawodem zaufania publicznego oznacza, że społe- z jednej strony tworząc nowe obiekty zmieniamy nasze otoczenie, zmieniając jednocześnie czeństwo ma prawo oczekiwać od inżyniera budownictwa, że w swojej pracy będzie kiero- środowisko przyrodnicze, na które składają się warunki geologiczne, warunki geomorfolo- wał się zasadami etycznymi i będzie brał pod uwagę dobro publiczne we wszystkich for- gię, rzeźba terenu, sieć hydrograficzna, gleba, zasoby naturalne, rozmieszczenie flory mach swojej działalności, tzn. podczas wykonywania swojego zawodu, podczas zarządzania i fauny, itd. Z drugiej strony budownictwo jest najbardziej energochłonnym działem zespołem, w kontaktach z kooperantami, współpracownikami a w szczególności klientami. gospodarki. Według autorów prac [1] i [2] tak, jak pokazano na rys. 3, w Polsce i w Europie Już sam fakt, że inżynier budowlany wykonuje zawód zaufania publicznego wymaga od zużycie energii w budynkach mieszkalnych i usługowych w 2005 roku wyniosło odpowiedniego poszanowania środowiska i myślenia o przyszłości kolejnych pokoleń, a więc musi nio około 61% i 55 % całkowitego zapotrzebowania na energię. Z analizy rys. 4 wynika, że posiadać świadomość stosowania zasad zrównoważonego rozwoju. Z drugiej strony trzeba ponad 88% zużycia energii w cyklu życia obiektu budowlanego przypada w Polsce na zdawać sobie sprawę, że są ludzie których nie stać na nowe drogie technologie. Należy więc eksploatację czyli udział zużycia energii w budownictwie w całkowitym zużyciu energii poszukiwać rozwiązań ekologicznych, ale i ekonomicznych, oszczędzających nie tylko w kraju można szacować na ok. 68%. Dlatego bardzo ważne jest, aby absolwenci mieli energię, ale również zasoby kieszeni klientów. Biorąc to pod uwagę można powiedzieć, że świadomość jak ich praca wpływa na środowisko oraz w jaki sposób mogą zmniejszyć to inżynier budownictwa powinien posiadać trzy cechy: świadomość ekologiczną, wiedzę oddziaływanie poprzez stosowanie nowoczesnych materiałów i technologii. Poniżej podane i umiejętności inżynierskie oraz kompetencje społeczne (rys. 1). Zestaw przedmiotów zostaną dwa przykłady nowych rozwiązań, zmniejszających zużycie energii w budynku. specjalności Konstrukcje Budowlane i Technologie Ekologiczne został dobrany w taki sposób, aby pokryć wymienione kompetencje. Dobierając przedmioty kierowano się rów- nież tym, że absolwent powinien posiadać rzetelną i uporządkowaną wiedzę, która pozwoli mu na realizację obiektów budowlanych zgodnie z najnowszymi trendami. Przyjęto, że znaczną część podstaw teoretycznych opanował na studiach I stopnia. Natomiast celem studiowania na II stopniu studiów jest rozszerzeniem posiadanej wiedzy i umiejętności oraz ukształtowanie świadomości znaczenia zawodu inżyniera budownictwa. W pracy zaprezentowano przykłady nowych technologii i rozwiązań konstrukcyjnych oraz problemów społecznych, z którymi w swojej pracy spotyka się inżynier budownictwa. Na tej podstawie zobrazowano główne cechy programu i planów studiów studiów na kierunku Budownictwo, które będą gwarantowały przydatność absolwentów dla społeczeń- stwa. Rys. 2. Cykl życia obiektu budowlanego (LCA)

0,5 0,5 0,8 9,9 wydobycie surowców, recykling, produkcja materiałów transport

budowa obiektu

eksploatacja obiektu 88,3 Rys. 1. Cechy inżyniera budowlanego jako przedstawiciela zawodu zaufania publicznego rozbiórka

Rys. 3. Procentowy udział zużycia energii w budownictwie w Polsce w poszczególnych etapach cyklu istnienia budynku na podstawie pracy [1] 8 Ewa Błazik-Borowa

35 31 32 29 30 28 27 25 21 20 15 1110 10 8 5 3 0

Unia Europejska Polska

Rys. 4. Procentowy udział zużycia energii w poszczególnych działach gospodarki w 2005 za pracami [1], [2]

2.2. Przykłady rozwiązań zmniejszających energochłonność budynku Obecnie takie problemy jak kształtowanie architektoniczno-urbanistyczne z uwzględ- nieniem aspektów zrównoważonego rozwoju, technologie budownictwa ekologicznego, badanie efektywności energetycznej materiałów budowlanych, wykorzystania różnych metod i zasobów komputerowych do oceny wpływu budowy na środowisko, metody i możliwości recyklingu czyli problemy, które są związane ze zmniejszeniem energochłon- ności cyklu istnienia budynku (rys. 2), są głównymi kierunkami badań w dyscyplinie budownictwo i powinny być podstawowymi elementami programów kształcenia inżynierów budownictwa. Efektem tego typu badań są na przykład materiały zmiennofazowe, nazywane również skrótem PCM (ang. Phase-Change Materials). Idea tego typu materiałów polega na tym, że materiał budowlany (beton, gips, beton komórkowy) zawiera mikrokapsułki, które zmieniają fazę z ciekłej w stałą i odwrotnie podczas zmian temperatury w ciągu doby. W nocy, kiedy temperatura otoczenia jest niższa od temperatury wewnątrz pomieszczenia, zawartość mikrokapsułek przechodzi z fazy ciekłej do stałej, oddając w ten sposób ciepło. Etap ten trwa do momentu kiedy temperatura otoczenia jest odpowiednio niższa niż temperatura zmiany fazy PCM-u z ciekłej na stałą. W dzień kiedy temperatura na zewnątrz budynku wzrasta energia cieplna najpierw jest pochłaniana przez przemiany fazowe w PCM czyli zmianę fazy ze stałej na ciekłą. W ten sposób powietrze wewnętrzne nie jest ogrzewa- ne. Przykładami takich materiałów są np. gipsowe płyty, produkowane przez firmę BASF, które zawierają materiał zmiennofazowy o nazwie Micronal® PCM. Mikrokapsułki w tym materiale zawierają przede wszystkim parafinę. Lista publikacji, omawiających możliwości stosowania PCM w budownictwie jest bardzo długa i są to np. prace [3], [4] i [5]. Bardzo ciekawym rozwiązaniem, zwiększających oszczędność energii, są okna elek- trochromiczne czyli takie, w których kolor lub tylko zmatowienie szyby zmienia się pod wpływem przepływu prądu elektrycznego. Szyba w elektrochromicznym oknie jest pokryta folią, zawierającą warstwy, które przewodzą prąd, oraz warstwy, które zmieniają barwę pod wpływem przepływającego prądu elektrycznego. Dzięki temu szyba w oknie może być przezroczysta, przepuszczająca światło i ciepło, lub matowa blokująca dostęp energii do wnętrza budynku. Naukowcy eksperymentują obecnie z aktywnymi warstwami zawierają- cymi nikiel i tlenek wolframu oraz jony litu. Zmiana koloru szyb (ich przyciemnianie) polega na przyłożeniu niewielkiego napięcia, które wymusza przeniesienie jonów litu pomiędzy warstwami [6]. Wyzwania w budownictwie i nauczaniu inżynierów budownictwa 9

35 31 32 W pracy [7] na przykładzie budynku Wydziału Sztuki i Nauk Humanistycznych Uni- 29 30 28 27 wersytetu w Coimbrze (rys. 5) wykazano pozytywny wpływ stosowania szyb elektrochro- 25 21 micznych. Dla elewacji wschodniej uzyskano zmniejszenie rocznego zużycia energii 20 w zakresie od 3.7% do 24.4%, oraz na zachodniej elewacji od 5.3% do 23.9%. Podobne 15 1110 wielkości zostały podane w pracy [8] gdzie podano, że dzięki zastosowaniu okien z kontrolą 10 8 przepuszczalności światła można uzyskać zmniejszenie zużycia energii od 10% do 24%. 5 3 0

Unia Europejska Polska

Rys. 4. Procentowy udział zużycia energii w poszczególnych działach gospodarki w 2005 za pracami [1], [2]

2.2. Przykłady rozwiązań zmniejszających energochłonność budynku

Obecnie takie problemy jak kształtowanie architektoniczno-urbanistyczne z uwzględ- Rys. 5. Budynek Wydziału Sztuki i Nauk Humanistycznych Uniwersytetu w Coimbrze (Portugalia), nieniem aspektów zrównoważonego rozwoju, technologie budownictwa ekologicznego, źródło: google map badanie efektywności energetycznej materiałów budowlanych, wykorzystania różnych metod i zasobów komputerowych do oceny wpływu budowy na środowisko, metody Zmiany w technologiach wykonania szyb ze szczególnym uwzględnieniem okien elek- i możliwości recyklingu czyli problemy, które są związane ze zmniejszeniem energochłon- trochromicznych zostały opisane w pracy [8]. Jednak jest to dziedzina, która nadal się ności cyklu istnienia budynku (rys. 2), są głównymi kierunkami badań w dyscyplinie bu- rozwija, ponieważ obecnie bardzo trudno uzyskać jednolitą zmianę w szybach na bardzo downictwo i powinny być podstawowymi elementami programów kształcenia inżynierów dużej powierzchni a koszt wykonania takich okien jest kilkukrotnie wyższy niż okien budownictwa. Efektem tego typu badań są na przykład materiały zmiennofazowe, nazywane z szybami tradycyjnymi. również skrótem PCM (ang. Phase-Change Materials). Idea tego typu materiałów polega na Powyżej wybrano tylko przykłady kierunków badań, które mają doprowadzić do tym, że materiał budowlany (beton, gips, beton komórkowy) zawiera mikrokapsułki, które zmniejszenia zużycia energii. Takich działań jest znacznie więcej, o czym świadczy duża zmieniają fazę z ciekłej w stałą i odwrotnie podczas zmian temperatury w ciągu doby. popularność konferencji o tematyce, związanej z energooszczędnością obiektów budowla- W nocy, kiedy temperatura otoczenia jest niższa od temperatury wewnątrz pomieszczenia, nych. zawartość mikrokapsułek przechodzi z fazy ciekłej do stałej, oddając w ten sposób ciepło. Poza wyżej zasygnalizowanymi aspektami energooszczędnośvi poszanowanie środo- Etap ten trwa do momentu kiedy temperatura otoczenia jest odpowiednio niższa niż tempe- wiska, to także taka lokalizacja nowych obiektów, która nie będzie zagrażała florze i faunie ratura zmiany fazy PCM-u z ciekłej na stałą. W dzień kiedy temperatura na zewnątrz i nie będzie zmieniała warunków gruntowo-wodnych, to wykorzystywanie materiałów, przy budynku wzrasta energia cieplna najpierw jest pochłaniana przez przemiany fazowe w PCM produkcji których ogranicza się emisję CO2 do środowiska, itd. czyli zmianę fazy ze stałej na ciekłą. W ten sposób powietrze wewnętrzne nie jest ogrzewa- ne. Przykładami takich materiałów są np. gipsowe płyty, produkowane przez firmę BASF, 3. Wiedza i umiejętności inżynierskie które zawierają materiał zmiennofazowy o nazwie Micronal® PCM. Mikrokapsułki w tym materiale zawierają przede wszystkim parafinę. Lista publikacji, omawiających możliwości Omówione problemy w poprzednim punkcie wymagają od inżyniera budownictwa, stosowania PCM w budownictwie jest bardzo długa i są to np. prace [3], [4] i [5]. z jednej strony, kompetencji miękkich, dotyczących umiejętności poszanowania środowi- Bardzo ciekawym rozwiązaniem, zwiększających oszczędność energii, są okna elek- ska, ale, z drugiej strony, właśnie możliwość budowy nowych obiektów z uwzględnieniem trochromiczne czyli takie, w których kolor lub tylko zmatowienie szyby zmienia się pod aspektów zrównoważonego rozwoju wymaga wiedzy i umiejętności inżynierskich. Stoso- wpływem przepływu prądu elektrycznego. Szyba w elektrochromicznym oknie jest pokryta wanie nowych technologii wymaga wiedzy oraz reżimu technologicznego. Najprostszym folią, zawierającą warstwy, które przewodzą prąd, oraz warstwy, które zmieniają barwę pod przykładem są budynki drewniane, w których nieprawidłowe przygotowanie materiału wpływem przepływającego prądu elektrycznego. Dzięki temu szyba w oknie może być prowadzi do bardzo dużych problemów eksploatacyjnych. przezroczysta, przepuszczająca światło i ciepło, lub matowa blokująca dostęp energii do O wiedzy inżyniera budownictwa decydują tendencje jakie są widoczne w budownic- wnętrza budynku. Naukowcy eksperymentują obecnie z aktywnymi warstwami zawierają- twie czyli wykorzystanie technologii i materiałów ekologicznych, budowa obiektów wyso- cymi nikiel i tlenek wolframu oraz jony litu. Zmiana koloru szyb (ich przyciemnianie) kich, rewitalizacja obszarów poprzemysłowych, ochrona zabytków i utrzymanie obecnych polega na przyłożeniu niewielkiego napięcia, które wymusza przeniesienie jonów litu zasobów infrastruktury kubaturowej i komunikacyjnej. Tak jak w poprzednim punkcie, tak pomiędzy warstwami [6]. i tutaj zostaną przedstawione wybrane problemy. 10 Ewa Błazik-Borowa

3.1. Budynki wysokościowe Każdy inżynier konstruktor marzy, aby w życiu przynajmniej raz zaprojektować lub uczestniczyć w budowie budynku o skomplikowanej konstrukcji. Takie możliwości dają nam budynki wysokościowe.

160

140

120

100

Rys. 6. Liczba budynków wysokościowych oddanych do użytkowania w poszczególnych latach świecie [9]

70 60 50 40 30 20 10 0

Rys. 7. Liczba budynków oddanych do użytkowania w roku 2015 z podziałem na kraje [9] Wyzwania w budownictwie i nauczaniu inżynierów budownictwa 11

3.1. Budynki wysokościowe Bezpieczeństwo i komfort użytkowania takiego budynku zapewniają instalacje sani- tarne i elektryczne połączone w systemy zarządzania budynkiem BMS (Building Manage- Każdy inżynier konstruktor marzy, aby w życiu przynajmniej raz zaprojektować lub ment System). Takie systemy mogą być mniej lub bardziej rozbudowane i zarządzać insta- uczestniczyć w budowie budynku o skomplikowanej konstrukcji. Takie możliwości dają lacją wodno-kanalizacyjną, instalacją elektryczną, oświetleniem, wentylacją, systemem nam budynki wysokościowe. ochrony przeciwpożarowej, systemem bezpieczeństwa, komunikacją i systemem tłumienia

160 drgań.

140

120

100

Rys. 6. Liczba budynków wysokościowych oddanych do użytkowania w poszczególnych latach świecie [9]

Na świecie widać wyraźną tendencję do budowania obiektów wysokich (rys.6), cho- ciaż te najwyższe buduje się przede wszystkim obecnie w Azji (rys. 7). Budynki wysokie są wyzwaniem dla wszystkich branż budowlanych. Konstrukcja takich budynków musi zapew- nić przeniesienie obciążeń pionowych czyli najczęściej ciężaru, statycznych i dynamicznych Rys. 8. Shanghai Tower, http://skyscrapercenter.com/building/shanghai-tower/56 oddziaływań poziomych spowodowanych przez wiatr, dynamicznych obciążeń parasej- smicznych lub sejsmicznych oraz obciążeń termicznych. Posadowienie takiego obiektu Elewacje budynków wysokich mogą służyć do mocowania modułów fotowoltaicz- powinno być wykonane tak, aby grunt przeniósł obciążenia pionowe, oraz aby budynek nie nych. Przykładami budynkami, gdzie zamocowano ogniwa tego typu, są budynek Co- miał możliwości obrotu. Ten ostatni element zapewnia się między innymi przez budowę operative Insurance Tower w Manchester (Wielka Brytania) i Pearl River Tower w Gu- kilku kondygnacji podziemnych. Budowa obiektów najczęściej w gęstej zabudowie miej- anzhou (Chiny). Także przykładem wykorzystania wielu innych ciekawych rozwiązań skiej wymaga zastosowania metod organizacji pracy, które uwzględnią brak miejsca na w budynku wysokościowym jest Shanghai Tower w Szanghaju (Chiny) o wysokości 632m składowanie materiałów, wymagania technologiczne stosowanych materiałów i rozwiązań oddany do użytkowania w 2015 roku. Budynek ten został opisany w pracy [10] z wykorzy- konstrukcyjnych (np. czas uzyskiwania wytrzymałości przez beton lub montaż prefabryka- staniem dokumentacji, zamieszczonej w pracy[11]. Poniższe informacje także są podawane tów z ich prawidłowym uszczelnieniem) i wysokość wykonywanych prac. na podstawie tych dwóch pozycji literaturowych. Obiekt został zaprojektowany z dziewięciu nałożonych na siebie, walcowatych bu- 70 dynków. Każdy z budynków ma swoją elewację, a oprócz tego wszystkie budynki są oto- 60 czone wspólną fasadą. W przestrzeni pomiędzy poszczególnymi walcami usytuowano 50 dziewięć atriów. Kształt budynku został dobrany na podstawie badań w tunelu aerodyna- 40 30 micznym. W Szanghaju występują bardzo często porywiste wiatry oraz tajfuny. Dzięki 20 wykonaniu wizualnego skrętu na elewacji, zwężeniu budynku ku górze i zaokrągleniu 10 naroży zredukowano obciążenie wiatrem o 24% co pozwoliło na 32% zmniejszenie kosztów 0 budowy konstrukcji budynku. Praca [11] podaje, że obiekt jest wybudowany z wykorzystaniem materiałów kompozytowych. Projektanci w ten sposób określili konstrukcję, składają- cą się żelbetowego trzonu i ze stalowych słupów oraz żelbetowych belek jako konstrukcji stropu.

Rys. 7. Liczba budynków oddanych do użytkowania w roku 2015 z podziałem na kraje [9] 12 Ewa Błazik-Borowa

Budynek jest zaopatrzony w tłumik masowy o masie 1000 ton umieszczony w podstawie budynku w celu zmniejszenia drgań i poprawę komfortu użytkowania budynku. W prezentowanym budynku zamontowano instalację sanitarną, która poza tradycyj- nym zastosowaniem miała za zadanie przekierowanie wody opadowej oraz wody wstępnie używanej do innych celów do spłuczek w toaletach. Dzięki temu uzyskano zmniejszenie zużycia wody o 40%. Zużycie energii zmniejszono w budynku o 21% między innymi poprzez generowanie energii przez 270 turbin wiatrowych w budowanych w fasadę budynku. Powyższy przykład jest bardzo spektakularny, ale w Polsce też buduje się wysokie budynki i warto na etapie projektowania przewidzieć problemy, które mogą pojawić się podczas eksploatacji. Podczas podejmowania decyzji o lokalizacji budynku należy też pamiętać o sąsiednich obiektach. Budowa nowego obiektu zmienia oddziaływania środowi- skowe na inne obiekty, np. może doprowadzić do dodatkowych osiadań gruntu lub zmiany charakteru działania wiatru. Jednak wszystkich zagadnień, związanych z budową obiektów Rys. 9. Budynek po kasynie wojskowym w Hrubieszowie wysokościowych, nie można opisać w jednej pracy a jedynie zasygnalizować i zobrazować ich złożoność. Zmiana funkcji budynku nie zawsze wymaga całkowitego usunięcia wnętrza. Przykła- dy sposobu zagospodarowania, tzn. przebudowy wraz ze zmianą funkcji, są podane np. 3.2. Rewitalizacja obszarów poprzemysłowych w pracy [14]. W tej pracy opisano typowe rozwiązania konstrukcyjne fabryk łódzkich Obecnie w wielu miastach Polski i Europy można wyodrębnić obszary poprzemysło- i podano między innymi taką informację, że w Łodzi są obiekty, które jak najbardziej mogą we. Jest to efekt przemian gospodarczych i społecznych, trwających od XIX w. W XIX w. być poddane rewitalizacji, ale są również parterowe hale kryte najczęściej dachami szedo- powstało wiele dzielnic przemysłowych w miastach oraz powstały nowe ośrodki przemy- wymi, które nie nadają się do dalszej eksploatacji. Należy na to zwrócić uwagę, ponieważ słowe, które bardzo szybko się rozwijały. Takim przykładem jest Łódź, gdzie osada pewna moda i brak świadomości inwestorów powoduje, że stawiane są przed inżynierami z kilkuset mieszkańcami w ciągu stu lat zamieniła się w miasto przemysłowe z liczbą wymogi, których nie można spełnić. Oczywiście w pracy [14] pokazano także przykłady ludności wynoszącą 672 tys. w 1939r. Odejście od ciężkiego przemysłu, wprowadzanie skutecznej rewitalizacji, tzn. omówiono sposób zaadaptowania czterokondygnacyjnego zasad zrównoważonego rozwoju i rozwój świadomości konieczności poszanowania środo- budynku tkalni Fryderyka Wilhelma Schweikerta do potrzeb dydaktyczno-laboratoryjnych wiska spowodowało, że zakłady przemysłowe są od 50 lat XX w. zamykane. W ten sposób Politechniki Łódzkiej. W obiekcie wykonano następujące prace [14]: do zagospodarowania pozostały obiekty przemysłowe o bardzo atrakcyjnym położeniu  zabezpieczenie elementów drewnianych przed korozją biologiczną, i dodatkowo z ochroną konserwatorską.  wzmocnienie stropów w celu zwiększenia ich nośności i zapewnienia bezpiec- Rewitalizacja tych obiektów, w tym przebudowa i zmiana funkcji powinny być po- zeństwa pożarowego, które polegało na zastosowaniu belek żelbetowych „otula- przedzone rozpoznaniem warunków gruntowych, oceną stanu technicznego obiektu oraz jących” z dwóch stron belki drewniane, możliwości spełnienia wymagań Rozporządzenia [12] czyli bezpieczeństwa konstrukcji,  wykonanie płyty żelbetowej o gr. 45mm na istniejącej podłodze drewnianej bezpieczeństwa pożarowego, bezpieczeństwa użytkowania, odpowiednich warunków z kotwieniem w ścianach nośnych, higienicznych i zdrowotnych oraz ochrony środowiska, ochrony przed hałasem i drganiami,  zabezpieczenie stropów od spodu płytami karton-gips, oszczędności energii i odpowiedniej izolacyjności cieplnej przegród. Problematyka ta  ocieplenie budynku od wewnętrznej strony płytami MULTIPOR, szczegółowo została opisana np. w pracy [13].  typowe prace wykończeniowe. Kolejny etap to przygotowanie metody przebudowy obiektu, która uzależniona jest od Tego typu prace wymagają bardzo dużego doświadczenia. Jednak nowoczesne tech- wymienionych wcześniej elementów i od zaleceń konserwatorskich. Bardzo często wyburza nologie zwiększają możliwości wykorzystania obiektów zabytkowych i poprzemysłowych się wnętrze obiektu, pozostawiając zewnętrzną skorupę, tworzoną przez elewację i dach. i realizację większości wymogów rozporządzenia [12] oraz wymogów konserwatorskich. Przykładem takiego postępowania jest ponad 110 letni budynek po kasynie wojskowym w Hrubieszowie (rys. 9). Co prawda nie jest to przykład rewitalizacji obszarów przemysło- 4. Kompetencje społeczne wych, ale też jest związany ze zmianami społecznymi a mianowicie ze zmniejszeniem liczby żołnierzy w armii i ze zmianami funkcji obiektów wojskowych. Obiekt jest obecnie Rozporządzenie [15] wprowadziło od 2012 roku Krajowe Ramy Kwalifikacji wykorzystywany jako restauracja z browarem i hotel. Fundamenty zostały podbite a ze- w szkolnictwie wyższym. W zakresie wiedzy i umiejętności nie była to wielka rewolucja, wnętrzne ściany z cegły pełnej zostały odrestaurowane (piaskowanie i zabezpieczenie ponieważ uczelnie techniczne zawsze kształtowały programy tak, aby przekazywać treści powierzchni). Natomiast wewnątrz budynku pozostawiono jedynie główne elementy stro- potrzebne w praktyce. Nowością było wprowadzenie kompetencji społecznych. Zawsze pów opartych na ścianach zewnętrznych. Wewnątrz wybudowano nowe ściany konstrukcyj- w dydaktyce rolą nauczyciela było nie tylko przekazywanie wiedzy, ale również wpajanie ne, które wraz ze ścianami zewnętrznymi stanowią oparcie dla stropów żelbetowych. zasad etycznych. Jednak na uczelniach wyższych często mówiło się o tym, że studenci są osobami dorosłymi, których już nie należy wychowywać. Takie podejście nauczyciela 14 Ewa Błazik-Borowa akademickiego do studenta zmieniły zasady KRK a szczególnie kompetencje społeczne. Na Wydziale Budownictwa i Architektury na kierunku Budownictwo zapisano, że student [16]:  „rozumie potrzebę uczenia się przez całe życie; potrafi inspirować i organizować proces uczenia się innych osób,  ma świadomość ważności i rozumie pozatechniczne aspekty i skutki działalności inżynierskiej, w tym jej wpływu na środowisko, i związanej z tym odpowiedzi- alności za podejmowane decyzje,  potrafi współdziałać i pracować w grupie, przyjmując w niej różne role,  potrafi odpowiednio określić priorytety służące realizacji określonego przez siebie lub innych zadania,  prawidłowo identyfikuje i rozstrzyga dylematy związane z wykonywaniem zawodu  potrafi myśleć i działać w sposób kreatywny i przedsiębiorczy,  ma świadomość roli społecznej absolwenta uczelni technicznej, a zwłaszcza rozumie potrzebę formułowania i przekazywania społeczeństwu, w szczególności poprzez środki masowego przekazu, informacji i opinii dotyczących osiągnięć techniki i innych aspektów działalności inżynierskiej; podejmuje starania, aby przekazać takie informacje i opinie w sposób powszechnie zrozumiały, z uzasadnieniem róż- nych punktów widzenia” Poniżej przedstawione zostaną wybrane aspekty, które przewijają się w treściach kształcenia, ale które również są ważnymi nurtami zainteresowań naukowych nauczycieli WBiA i są powiązane ze społeczną rolą inżyniera budownictwa. 4.1. Współpraca pomiędzy branżami budowlanymi Pokazane w poprzednich punktach problemy inżynierskie mogą być rozwiązane tylko i wyłącznie, jeżeli będą rozwiązywane przez zespoły, w których skład wchodzić będą specjaliści różnych branż budowlanych: architekci, konstruktorzy, instalatorzy, drogowcy, geodezji, geolodzy, itd. Kolejne branże podczas projektowania i budowy obiektu produkują znaczne ilości informacji, które muszą zostać zarchiwizowane i rozdystrybuowane pomię- dzy wszystkimi branżystami na każdym etapie powstawania obiektu. W tym celu obecnie wprowadzany jest proces BIM (building information modeling).

Rys. 10. Zobrazowanie idei procesu BIM na poziomie 4D [17] Wyzwania w budownictwie i nauczaniu inżynierów budownictwa 15 akademickiego do studenta zmieniły zasady KRK a szczególnie kompetencje społeczne. Na Filozofia tego procesu została opisana między innymi w pracy [17]. Opisując ideę sto- Wydziale Budownictwa i Architektury na kierunku Budownictwo zapisano, że student [16]: sowaniu procesu BIM w zarządzaniu procesem budowlanym używa się skrótów, które  „rozumie potrzebę uczenia się przez całe życie; potrafi inspirować i organizować określają poziom BIM i są to: proces uczenia się innych osób,  2D – stosowanie technicznych rysunków dwuwymiarowych,  ma świadomość ważności i rozumie pozatechniczne aspekty i skutki działalności  2D/3D – połączenie rysunków dwuwymiarowych z połączeniem projektowania inżynierskiej, w tym jej wpływu na środowisko, i związanej z tym odpowiedzi- w trójwymiarowego, w tym zarówno rysowania jak i wykonywania obliczeń wy- alności za podejmowane decyzje, trzymałościowych,  potrafi współdziałać i pracować w grupie, przyjmując w niej różne role,  3D – opracowanie projektu w formie trójwymiarowej uzupełnione elementami  potrafi odpowiednio określić priorytety służące realizacji określonego przez siebie dokumentacji, ułatwiającej prowadzenie prac wykonawczych, lub innych zadania,  4D – poziom 3D uzupełniony o pełną informację na temat zarządzania budową  prawidłowo identyfikuje i rozstrzyga dylematy związane z wykonywaniem zawodu (rys. 10),  potrafi myśleć i działać w sposób kreatywny i przedsiębiorczy,  5D – poziom 4D połączony z kosztorysowaniem i z podstawowymi informacjami  ma świadomość roli społecznej absolwenta uczelni technicznej, a zwłaszcza rozu- o wewnętrznych systemach w budynku, mie potrzebę formułowania i przekazywania społeczeństwu, w szczególności po-  6D – poziom 5D uzupełniony o analizy efektywności energetycznej, przez środki masowego przekazu, informacji i opinii dotyczących osiągnięć techni-  7D – funkcjonalności z poziomu 6D oraz dodatkowo zasady zarządzania budynki- ki i innych aspektów działalności inżynierskiej; podejmuje starania, aby przekazać em podczas eksploatacji. takie informacje i opinie w sposób powszechnie zrozumiały, z uzasadnieniem róż- W przyszłości można oczekiwać, że połączenie umiejętności współpracy i zarządzania nych punktów widzenia” zasobami ludzkimi wraz z odpowiednimi narzędziami informatycznymi spowoduje znaczne Poniżej przedstawione zostaną wybrane aspekty, które przewijają się w treściach ograniczenie czasochłonności inwestycji budowlanych i kosztów na nie ponoszonych. kształcenia, ale które również są ważnymi nurtami zainteresowań naukowych nauczycieli WBiA i są powiązane ze społeczną rolą inżyniera budownictwa. 4.2. Bezpieczeństwo pracy w budownictwie Budownictwo jest w czołówce branż, w których występują wypadki. Na rys. 11 poka- 4.1. Współpraca pomiędzy branżami budowlanymi zano liczbę wypadków w budownictwie z lat 2011-2014 na podstawie pracy [18]. W tej Pokazane w poprzednich punktach problemy inżynierskie mogą być rozwiązane tylko samej pracy podano, że 43% wypadków w latach 2011-2014 to były upadki z wysokości, i wyłącznie, jeżeli będą rozwiązywane przez zespoły, w których skład wchodzić będą w tym szczególnie z rusztowań budowlanych. Dlatego poniżej zagadnienie to zostanie specjaliści różnych branż budowlanych: architekci, konstruktorzy, instalatorzy, drogowcy, opisane właśnie na przykładzie stosowania rusztowań budowlanych. geodezji, geolodzy, itd. Kolejne branże podczas projektowania i budowy obiektu produkują znaczne ilości informacji, które muszą zostać zarchiwizowane i rozdystrybuowane pomię- 400 dzy wszystkimi branżystami na każdym etapie powstawania obiektu. W tym celu obecnie 350 wprowadzany jest proces BIM (building information modeling). 300 250 200 150 100 50 0 2011 2012 2013 2014 Rys. 11. Liczba wypadków, - wypadki śmiertelne, - wypadki z ciężkimi obrażeniami

Badania zaprezentowane w literaturze pokazują, że problem wypadków na rusztowaniach jest problemem międzynarodowym. Na przykład według pracy [19] w Wielkiej Brytanii w latach 1989-1993 było 3738 upadków z rusztowań, 1304 wypadków spowodowanych upadkiem narzędzi z rusztowań, a 345 było związanych z upadkiem samych rusz- towań. Według tego samego artykułu [19] z przeprowadzonych w latach 1997-2000 badań na 62 rusztowaniach wynika, że wypadki w Wielkiej Brytanii były spowodowane: błędami Rys. 10. Zobrazowanie idei procesu BIM na poziomie 4D [17] konstrukcyjnymi – 48.4%, brakiem zabezpieczeń – 14.5%, niewłaściwym posadowieniem – 16 Ewa Błazik-Borowa

6.4%, błędami ludzkimi – 6.4%, złym stanem technicznym rusztowania – 16.1%, przecią- żeniem konstrukcji – 8.2%. W artykule [20] przedstawiono problemy, związane z ryzykiem pracy na rusztowaniach, jakie występują w Stanach Zjednoczonych. W roku 2000, na 5915 wypadków na budowach w USA, 734 to były upadki z rusztowań, a wśród tych upadków 85 było bezpośrednio związanych z awarią rusztowań. Rusztowania charakteryzują się też różnorodnością ze względu na materiał, z którego mogą być zrobione, oraz ze względu na stosowane rozwiązania technologiczne. Ze względu na materiał rusztowania można podzielić na stalowe, aluminiowe, bambusowe i drewniane. Natomiast ze względu na stosowane rozwiązania technologiczne oraz stosowane elementy konstrukcyjne rusztowania budowlane dzielimy na: rurowe, warszawskie, ramowe (fasado- we), modułowe, przejezdne i wieżowe. Nowoczesne systemy rusztowań pozwalają na dowolne kształtowanie konstrukcji a ich złożoność pokazano na dwóch przykładach na rys. 12. a) b)

Rys. 12. Przykłady rusztowań: a) rusztowanie wokół mostu przekaźnikowego w KWK Ziemowit, b) rusztowanie wokół Kaplicy Scheiblera w Łodzi.

Na rys. 13 pokazano etapy funkcjonowania rusztowania. Wypadki występują w trzech ostatnich etapach, tzn. podczas montażu, eksploatacji i demontażu. Jednak na bezpieczeń- stwo pracy mają wpływ zarówno trzy etapy poprzedzające użytkowanie rusztowań, jak i samo użytkowanie. Zmniejszenie wypadków przy pracy, związanych z użytkowaniem rusztowań, wymaga zwiększenia kultury bezpieczeństwa wśród inżynierów i wiedzy w zakresie konstruowania i prawidłowego użytkowania rusztowań.

Wyzwania w budownictwie i nauczaniu inżynierów budownictwa 17

Rys. 13. Etapy funkcjonowania rusztowania [18]

4.3. Wzajemne poszanowanie w pracy oraz stosowanie zasad etyki i ogólnie dobrych praktyk Bardzo dużym problemem w budownictwie jest stosowanie dobrych praktyk w bizne- sie. W artykule [21] opisano problem zadłużenia firm budowlanych. W marcu 2016 roku zadłużenie firm odnotowane w Krajowym Rejestrze Długów (KRD) w tym dziale gospodarki wynosiło 1,35mld zł. Przedsiębiorstwa budowlane były winne instytucjom ubezpie- czeniowym i finansowym 400 mln złotych, firmom handlowym były winne 384,9 mln zł, a pozostałe zadłużenie to w większości zadłużenie pomiędzy firmami budowlanymi. Jedne firmy nie płacą innym firmom budowlanym i nakręca się w ten sposób zadłużenie, często kończące się upadkiem przedsiębiorstw. Dług firm budowlanych często wynika z tego, że to one są wierzycielami. Zobowiązania wobec firm budowlanych w KRD wynosiły w marcu 2016 roku 565 mln zł. Poziom wzajemnego zadłużenia pokazuje, że polityka i zasady dobrego zarządzania nie są rozpropagowane wśród kadry zarządzającej budownictwem i należy w tym kierunku podjąć działania między innymi poprzez wprowadzenie odpowiednich treści w nauczaniu. Rys. 12. Przykłady rusztowań: a) rusztowanie wokół mostu przekaźnikowego w KWK Ziemowit, b) rusztowanie wokół Kaplicy Scheiblera w Łodzi. 5. Posumowanie

Na rys. 13 pokazano etapy funkcjonowania rusztowania. Wypadki występują w trzech W pracy zaprezentowano przekrój zakresu wiedzy, którą musi posiadać obecnie inży- ostatnich etapach, tzn. podczas montażu, eksploatacji i demontażu. Jednak na bezpieczeń- nier budownictwa, na podstawie studiów przypadków i wybranych problemów inżynier- stwo pracy mają wpływ zarówno trzy etapy poprzedzające użytkowanie rusztowań, jak skich. Inżynier budownictwa obecnie musi zdawać sobie sprawę z tego, że wiedza, którą i samo użytkowanie. Zmniejszenie wypadków przy pracy, związanych z użytkowaniem powinien posiadać, w bardzo szybkim tempie się zmienia i jest coraz obszerniejsza. Dyscy- rusztowań, wymaga zwiększenia kultury bezpieczeństwa wśród inżynierów i wiedzy plina budownictwo staje się obszarem łączącym problemy z wielu innych dyscyplin po- w zakresie konstruowania i prawidłowego użytkowania rusztowań. krewnych (architektura, inżynieria środowiska, elektrotechnika, automatyka i robotyka, informatyka) oraz z innych dziedzin nauki (nauki o ziemi, nauki biologiczne, nauki ekonomiczne, nauki humanistyczne). Dlatego studia II stopnia na kierunku Budownictwo powin- 18 Ewa Błazik-Borowa ny uwzględniać kierunki rozwoju technologii, materiałów, rozwiązań konstrukcyjnych i metod zarządzania procesami inwestycyjnymi oraz wskazywać studentom tendencje w tym zakresie. Ponadto powinny przekazywać taki zasób wiedzy, aby z jednej strony uświadomić inżynierowi, jak ważny jest jego zawód dla społeczeństwa a z drugiej strony mógł być podstawą właśnie do tego dalszego samodzielnego poszerzenia wiedzy.

Literatura

1. Lis P. Zapotrzebowanie gospodarki na energię i energochłonność eksploatacyjna budynków. Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym (2011) 145–163. 2. Szczechowiak E. Uwarunkowania unijne i polskie w zakresie efektywności energetycznej obiektów i procesów energetycznych. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 10 (2007) 27–33. 3. Cabeza L.F., Navarro L., Barreneche C., de Gracia A., Fernández A.I. Phase-change materials for reducing building cooling needs. Eco-efficient Materials for Mitigating Building Cooling Needs. Design, Properties and Applications (2015) 381–399. 4. Kenisarin M., Mahkamov K. Passive thermal control in residential buildings using phase change materials. Renewable and Sustainable Energy Reviews 55 (2016) 371–398. 5. Pisello A.L., Castaldo V.L., Cotana F. Dynamic thermal-energy performance analysis of a prototype building with integrated phase change materials. Energy Procedia 81 (2015) 82 – 88. 6. Sbar N.L., Podbelski L., Yang H. M., Pease B. Electrochromic dynamic windows for office buildings. International Journal of Sustainable Built Environment 1 (2012) 125–139. 7. Tavares P.F., Gaspar A.R., Martins A.G., Frontini F. The impact of electrochromic windows on the energy performance of buildings in Mediterranean climates: a case study. Eco-efficient Materials for Mitigating Building Cooling Needs (2015) 499–524. 8. Pittaluga M. Electrochromic glazing and walls for reducing building cooling needs. Eco- efficient Materials for Mitigating Building Cooling Needs (2015) 473–497. 9. Gabel J., Carver M., Gerometta M. The Skyscraper Surge Continues in 2015, The “Year of 100 Supertalls”, Tall Buildings in Numbers – 2015: A Tall Building Review. Council on Tall Build- ings and Urban Habitat, 9–10. 10. Ksit B., Waltrowska M. Budynki wysokie zrównoważone ekologicznie. Inżynier budownictwa, http://www.inzynierbudownictwa.pl 11. Gensler, Gensler Design Update: Shanghai Tower, Gensler Publications, 2010. 12. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, Dz.U. 2002 nr 75 poz. 690. 13. Orłowski Z., Szklennik N. Zakres modernizacji budynku – jako wynik analizy diagnostycznej obiektu. Civil and Environmental Engineering 2 (2011) 353–360. 14. Kozicki J. Nowe rozwiązania w modernizacji zabytkowych obiektów pofabrycznych. Mat. konf. „Nowoczesne technologie w budownictwie – wybrane zagadnienia”, 3-4 marca 2016, Łódź. 15. Rozporządzenie Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego z dnia 2 listopada 2011 roku w sprawie Krajowych Ram Kwalifikacji dla szkolnictwa Wyższego, Dz. U. 253, poz. 1520. 16. Dokumentacja planu studiów i programu kształcenia, kierunek Budownictwo, studia stacjonarne II stopnia, profil ogólnoakademicki, Wydział Budownictwa i Architektury Politechniki Lubelskiej, czerwiec 2014. 17. Majchrzak Ł. Zarządzanie procesem inwestycyjnym i życiem obiektu w oparciu o nowoczesne technologie informatyczne. Mat. konf. „Nowoczesne technologie w budownictwie – wybrane zagadnienia”, 3-4 marca 2016, Łódź. 18. Błazik-Borowa E., Czarnocki K., Dąbrowski A., Hoła B., Misztela A., Obolewicz J., Walusiak- Skorupa J., Smolarz A., Szer J., Szóstak M. Bezpieczeństwo pracy w budownictwie, Wydawnic- two Politechniki Lubelskiej, Lublin 2015. Wyzwania w budownictwie i nauczaniu inżynierów budownictwa 19 ny uwzględniać kierunki rozwoju technologii, materiałów, rozwiązań konstrukcyjnych 19. Whitaker S.M., Graves R.J., James M., McCann P. Safety with access scaffolds: Development i metod zarządzania procesami inwestycyjnymi oraz wskazywać studentom tendencje w tym of a prototype decision aid based on accident analysis. Journal of Safety Research 34 (2003) zakresie. Ponadto powinny przekazywać taki zasób wiedzy, aby z jednej strony uświadomić 249–261. inżynierowi, jak ważny jest jego zawód dla społeczeństwa a z drugiej strony mógł być 20. Halperin K. M., McCann M. An evaluation of scaffold safety at construction sites. Journal of Safety Research 35 (2004) 141–150. podstawą właśnie do tego dalszego samodzielnego poszerzenia wiedzy. 21. Depesze: KRD: zadłużenie branży budowlanej sięga blisko 1,35 mld zł, Gazeta Wyborcza, http://wyborcza.pl/1,91446,19711005,krd-zadluzenie-branzy-budowlanej-siega-blisko-1-35- Literatura mld-zl.html, 6 marca 2016.

10. Ksit B., Waltrowska M. Budynki wysokie zrównoważone ekologicznie. Inżynier budownictwa, http://www.inzynierbudownictwa.pl 11. Gensler, Gensler Design Update: Shanghai Tower, Gensler Publications, 2010. 12. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, Dz.U. 2002 nr 75 poz. 690. 13. Orłowski Z., Szklennik N. Zakres modernizacji budynku – jako wynik analizy diagnostycznej obiektu. Civil and Environmental Engineering 2 (2011) 353–360. 14. Kozicki J. Nowe rozwiązania w modernizacji zabytkowych obiektów pofabrycznych. Mat. konf. „Nowoczesne technologie w budownictwie – wybrane zagadnienia”, 3-4 marca 2016, Łódź. 15. Rozporządzenie Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego z dnia 2 listopada 2011 roku w sprawie Krajowych Ram Kwalifikacji dla szkolnictwa Wyższego, Dz. U. 253, poz. 1520. 16. Dokumentacja planu studiów i programu kształcenia, kierunek Budownictwo, studia stacjonarne II stopnia, profil ogólnoakademicki, Wydział Budownictwa i Architektury Politechniki Lubelskiej, czerwiec 2014. 17. Majchrzak Ł. Zarządzanie procesem inwestycyjnym i życiem obiektu w oparciu o nowoczesne technologie informatyczne. Mat. konf. „Nowoczesne technologie w budownictwie – wybrane zagadnienia”, 3-4 marca 2016, Łódź. 18. Błazik-Borowa E., Czarnocki K., Dąbrowski A., Hoła B., Misztela A., Obolewicz J., Walusiak- Skorupa J., Smolarz A., Szer J., Szóstak M. Bezpieczeństwo pracy w budownictwie, Wydawnic- two Politechniki Lubelskiej, Lublin 2015.

Budownictwo i Architektura 15(3) (2016) 21-28

Projektowanie konstrukcji budowlanych z uwagi na warunki pożarowe jako podstawa bezpieczeństwa ludzi i mienia w czasie pożaru obiektu budowlanego

Marek Grabias, Anna Halicka, Małgorzata Snela, Jerzy Szerafin

Katedra Konstrukcji Budowlanych, Wydział Budownictwa i Architektury, Politechnika Lubelska, e–mail: [email protected]

Streszczenie: W artykule przedstawiono istotę i podstawy metod projektowania konstrukcji budowlanych z uwagi na warunki pożarowe. Wskazano na wpływ temperatur pożarowych na powstanie dodatkowych oddziaływań oraz na zmiany parametrów mate- riałowych przekroju. Zwrócono uwagę na specyfikę zachowania się konstrukcji żelbeto- wych, murowych, stalowych i drewnianych w warunkach pożaru. Słowa kluczowe: pożar, pożar obliczeniowy, klasy odporności ogniowej, bezpieczeń- stwo pożarowe.

1. Wprowadzenie

Bezpieczeństwo konstrukcji pod względem pożarowym jest jednym z wymagań podstawowych, które należy spełnić projektując, wykonując i użytkując obiekt budowlany [1]. Wymaganie to obejmuje zapewnienie nośności konstrukcji w czasie pożaru przez założony okres, ograniczenie powstawania i rozprzestrzeniania się ognia i dymu, ograniczenie rozprzestrzeniania się ognia na sąsiednie obiekty, zapewnienie mieszkańcom możliwości opuszczenia obiektu lub uratowania w inny sposób oraz zapewnienie bezpieczeństwa ratownikom. W celu spełnienia wyżej wymienionych wymagań, na etapie projektowania stosowane jest wiele rozwiązań zarówno architektonicznych (podział budynku na strefy pożarowe czy projektowanie elementów budynku z materiałów spełniających wymaganiach określone zgodnie z klasyfikacją pod względem palności), jak i instalacyjnych (instalacje tryskaczo- we, systemy oddymiania, systemy alarmowe). Nie można jednak mówić o bezpieczeństwie obiektu budowlanego w czasie pożaru bez spełnienia stanów granicznych nośności konstrukcji w sytuacji wyjątkowej pożaru. Te stany graniczne winny być spełnione przez konstrukcję i jej elementy przez określony czas trwania pożaru, wynikający z wymaganej dla danego obiektu klasy odporności ogniowej elementów (np. 30 min dla klasy R30, 60 min dla klasy R60, itd). Celem niniejszego artykułu jest zestawienie przesłanek i głównych zasad projektowania konstrukcji żelbetowych, murowych, drewnianych i stalowych z uwagi na warunki pożarowe, wynikających z norm europejskich. 22 Marek Grabias, Anna Halicka, Małgorzata Snela, Jerzy Szerafin

2. Zasady obliczeń konstrukcji z uwagi na nośność w czasie pożaru

2.1. Oddziaływanie termiczne Stan atmosfery w budynku podczas pożaru, szczególnie temperatura, jest różny w różnych strefach pożarowych budynku, a nawet w obrębie tej samej strefy. Jest także zmienny w czasie. Symulacje rozkładów temperatury można uzyskać za pomocą zaawansowanych programów komputerowych, które pozwalają na ustalenie wartości temperatur w otoczeniu analizowanych elementów konstrukcji. W praktycznym projektowaniu dla ustalenia oddziaływań termicznych stosowane są krzywe „temperatura-czas”. Są to albo normowe tzw. standardowe krzywe, opisane funkcją zależności temperatury i czasu, nieza- leżną od warunków panujących w konkretnej strefie pożarowej, albo krzywe ustalone na podstawie symulacji komputerowych uwzględniających warunki panujące w danej strefie pożarowej, w szczególności parametry fizyczne atmosfery. Temperatury powierzchni elementów konstrukcyjnych można przyjmować jako równe temperaturom otoczenia elementu. Norma Eurokod 1-1-2 [2] pozwala na wykonywanie obliczeń w założeniu stałej temperatury w czasie trwania pożaru i przyjęcie, że jej wartości są równe maksymalnym temperaturom wynikającym z krzywych „temperatura-czas”. Na podstawie temperatury powierzchni elementów ustalić można rozkład temperatury w przekroju elementów , a następnie pośrednie oddziaływania mechaniczne. Na rys. 1 przestawiono schematycznie kolejne etapy obliczeń pozwalające na ustalenie pośrednich oddziaływań termicznych.

Rys. 1. Etapy obliczenia pośrednich oddziaływań mechanicznych (sił wewnętrznych) wynikających z oddziaływań termicznych w czasie pożaru Projektowanie konstrukcji budowlanych z uwagi na warunki pożarowe ... 23

2. Zasady obliczeń konstrukcji z uwagi na nośność w czasie pożaru 2.2. Metody zapewnienia nośności elementów konstrukcyjnych w czasie pożaru 2.1. Oddziaływanie termiczne Zapewnienie określonej odporności ogniowej elementu w czasie pożaru w „dziedzinie Stan atmosfery w budynku podczas pożaru, szczególnie temperatura, jest różny nośności” rozumiane jest jako zapewnienie, że element ma wystarczającą nośność, aby nie w różnych strefach pożarowych budynku, a nawet w obrębie tej samej strefy. Jest także uległ zniszczeniu pod wpływem oddziaływania termicznego, którego wartość ustalona jest zmienny w czasie. Symulacje rozkładów temperatury można uzyskać za pomocą zaawan- w analizach wstępnych (patrz rys.1). Z kolei zapewnienie odporności ogniowej w „dziedzi- sowanych programów komputerowych, które pozwalają na ustalenie wartości temperatur nie czasu” oznacza, że element nie ulegnie zniszczeniu, jeśli oddziaływanie to będzie w otoczeniu analizowanych elementów konstrukcji. W praktycznym projektowaniu dla przyłożone przez określony czas. ustalenia oddziaływań termicznych stosowane są krzywe „temperatura-czas”. Są to albo Odporność ogniową zarówno w dziedzinie nośności jak i czasu zapewnić można normowe tzw. standardowe krzywe, opisane funkcją zależności temperatury i czasu, nieza- w dwojaki sposób: leżną od warunków panujących w konkretnej strefie pożarowej, albo krzywe ustalone na  przez wykonanie badań w specjalistycznym laboratorium – dotyczy to głównie podstawie symulacji komputerowych uwzględniających warunki panujące w danej strefie elementów prefabrykowanych, pożarowej, w szczególności parametry fizyczne atmosfery.  przez obliczeniowe spełnienie stanu granicznego nośności zgodnie z normą Euro- Temperatury powierzchni elementów konstrukcyjnych można przyjmować jako równe kod odpowiednią dla danego rodzaju konstrukcji: konstrukcje z betonu - EC2-1-2 temperaturom otoczenia elementu. Norma Eurokod 1-1-2 [2] pozwala na wykonywanie [3], konstrukcje stalowe – EC3-1-2 [4], konstrukcje drewniane – EC5-1-2 [5], kon- obliczeń w założeniu stałej temperatury w czasie trwania pożaru i przyjęcie, że jej wartości strukcje murowe – EC6-1-2 [6]. są równe maksymalnym temperaturom wynikającym z krzywych „temperatura-czas”. Na podstawie temperatury powierzchni elementów ustalić można rozkład temperatury 2.3. Stan graniczny nośności w sytuacji pożaru w przekroju elementów , a następnie pośrednie oddziaływania mechaniczne. Na rys. 1 Stan graniczny nośności w sytuacji pożarowej zgodnie z normą Eurokod 1-1-2 [2] przestawiono schematycznie kolejne etapy obliczeń pozwalające na ustalenie pośrednich można zapisać następująco: oddziaływań termicznych. ERfi,, d t fi ,, d t , (1)

gdzie: E fi,, d t – obliczeniowa wartość efektu oddziaływań (moment zginający, siła poprzeczna,

siła podłużna) w czasie pożaru po czasie t, Rfi,, d t – obliczeniowa wartość nośności elementu w odniesieniu do analizowanego efektu oddziaływań w czasie pożaru po czasie t. Ponieważ Eurokod 1-1-2 [2] pozwala uznawać oddziaływania termiczne w czasie po-

żaru jako stałe i równe ich maksymalnym wartościom (patrz p.2.1), Efi,, d t  const E fi, d

oraz Rfi,, d t  const Rfi, d , a nierówność (1) przy sprawdzaniu stanów granicznych bezpie- czeństwa konstrukcji w czasie pożaru przyjmuje postać:

ERfi,, d fi d . (2)

Skutki oddziaływań termicznych widoczne są po obydwu stronach warunku (2): za- równo po stronie prawej - obciążenia jak i lewej – nośność (rys.2). Sytuacja pożaru jest obliczeniowo uznawana za sytuację wyjątkową, a efekty oddzia- ływań w czasie pożaru Efi,d są inne niż w sytuacjach stałych (kombinacja obciążeń „wyjąt- kowa” w miejsce „podstawowej”). Składają się na nie:

 oddziaływania mechaniczne – obciążenia stałe Gkj, , siła sprężająca i zmienne j1

(wiodące) o wartości ψQfi k,1 ,

 mechaniczne oddziaływania wyjątkowe Ad,m np. uderzenia sprzętu gaśniczego lub też uderzenia spadających fragmentów konstrukcji i wyposażenia budynku, Rys. 1. Etapy obliczenia pośrednich oddziaływań mechanicznych (sił wewnętrznych) wynikających  pośrednie oddziaływania mechaniczne Ad,t powstające na skutek obciążeń termicz- z oddziaływań termicznych w czasie pożaru nych (w przypadku analizy elementu konstrukcyjnego są to momenty zginające 24 Marek Grabias, Anna Halicka, Małgorzata Snela, Jerzy Szerafin

wynikające z różnicy temperatur pomiędzy powierzchnią nagrzaną i nienagrzaną elementu, zaś w przypadku analizy całej konstrukcji obok tych momentów uwzględnić trzeba także wpływ rozszerzalności termicznej i ustalić siły wewnętrzne wywołane wydłużeniem termicznym elementów przy ograniczeniu ich swobody odkształceń i wydłużeniem elementów sąsiadujących oraz wpływ temperatury na sztywność elementów).

Rys. 2. Przyczyny zniszczenia konstrukcji lub jej elementów w czasie pożaru

Ostatecznie efekty oddziaływań w czasie pożaru E fi, d można zapisać jako:

 Efi, d  f Gk, j  PAd,, m  A d t  fi Q k,1 (3) j1 Stosując uproszczenie dopuszczone normą Eurokod 1-1-2 uzyskuje się:

Efi, d fi  E d  P fA d,, m  A d t  (4)

 gdzie: Efd Gj, G kj ,  Q ,1 0,1 q k ,1 – wartość efektu oddziaływań w sytuacji stałej, fi j1 – współczynnik redukcyjny, który może być przyjmowany jako równy:  0.7 dla konstrukcji z betonu,  0.6 dla konstrukcji z drewna, wyjątek – kategoria obciążenia E (powierzchnie ma- gazynowe i przemysłowe) dla której fi = 0,7,  0.65 dla konstrukcji murowych, wyjątek – kategoria obciążenia E, dla której fi = 0,7,  0.65 dla konstrukcji stalowych, wyjątek – kategoria obciążenia E, dla której fi = 0,7. a) Projektowanie konstrukcji budowlanych z uwagi na warunki pożarowe ... 25 wynikające z różnicy temperatur pomiędzy powierzchnią nagrzaną i nienagrzaną elementu, zaś w przypadku analizy całej konstrukcji obok tych momentów uwzględnić trzeba także wpływ rozszerzalności termicznej i ustalić siły wewnętrzne wywołane wydłużeniem termicznym elementów przy ograniczeniu ich swobody odkształceń i wydłużeniem elementów sąsiadujących oraz wpływ temperatury na sztywność elementów). b)

Rys. 3. Oddziaływania termiczne: a) efekt nierównomiernego ogrzania belki, b) efekt wydłużalności elementów pod wpływem równomiernego wzrostu temperatury

Podczas pożaru zmienia się również prawa strona nierówności (2). Pod wpływem temperatury maleje wytrzymałość materiału, z którego wykonana jest konstrukcja oraz jego moduł sprężystości. W przypadku niektórych materiałów uznaje się, że przekroczenie tzw. temperatury krytycznej eliminuje wykonany z niego element lub jego część ze współpracy w przenosze- niu obciążeń. W takich sytuacjach należy sprawdzić odporność ogniową w „dziedzinie temperatury’: Θ  Θ (5) Rys. 2. Przyczyny zniszczenia konstrukcji lub jej elementów w czasie pożaru d cr, d

gdzie: d – obliczeniowa wartość temperatury elementu lub jego fragmentu, cr,d – oblicze- o o Ostatecznie efekty oddziaływań w czasie pożaru E fi, d można zapisać jako: niowa wartość temperatury krytycznej; jest ona równa 500 C dla stali zbrojeniowej, 400 C o o dla prętów sprężających, 350 C dla drutów i splotów sprężających 300 C dla drewna,  natomiast dla stali profilowej w konstrukcjach stalowych obliczana jest w zależności od jest Efi, d  f Gk, j  PAd,, m  A d t  fi Q k,1 (3) j1 w zależności od wskaźnika wykorzystania nośności 0 w czasie t = 0. Aby zapewnić temperaturę niższą niż krytyczna, należy zastosować otulinę zbrojenia Stosując uproszczenie dopuszczone normą Eurokod 1-1-2 uzyskuje się: o odpowiedniej grubości lub okładziny konstrukcji.

Efi, d fi  E d  P fA d,, m  A d t  (4) 3. Metody projektowania konstrukcji na warunki pożarowe  gdzie: Efd Gj, G kj ,  Q ,1 0,1 q k ,1 – wartość efektu oddziaływań w sytuacji stałej, fi 3.1. Informacje ogólne j1 – współczynnik redukcyjny, który może być przyjmowany jako równy: Wpływ temperatur pożarowych na stateczność konstrukcji zależy od zachowania się  0.7 dla konstrukcji z betonu, materiału, z którego konstrukcję wykonano oraz od cech geometrycznych elementów konstrukcyjnych i zastosowanych zabezpieczeń przeciwpożarowych.  0.6 dla konstrukcji z drewna, wyjątek – kategoria obciążenia E (powierzchnie ma- Metody obliczeniowe podzielić można na metody zaawansowane będące zaawanso- gazynowe i przemysłowe) dla której fi = 0,7, wanymi symulacjami komputerowymi zachowania się konstrukcji w warunkach pożaru  0.65 dla konstrukcji murowych, wyjątek – kategoria obciążenia E, dla której fi = 0,7, z uwzględnieniem jego przebiegu w czasie oraz na metody uproszczone.   0.65 dla konstrukcji stalowych, wyjątek – kategoria obciążenia E, dla której fi = 0,7. Metody uproszczone bazują na założeniu, że część przekroju (muru, betonu i stali zbrojeniowej, drewna) zdegradowana pod wpływem wysokiej temperatury nie jest a) uwzględniana jako nośna, a o nośności przekroju decyduje jedynie pozostała, niezdegrado- 26 Marek Grabias, Anna Halicka, Małgorzata Snela, Jerzy Szerafin wana część przekroju. Wyjątkowo, w przypadku konstrukcji drewnianych zalecany normo- wo jest sposób obliczeń zakładający brak modyfikacji parametrów wytrzymałości drewna w części niezdegradowanej, ale za to zwiększający zasięg strefy zdegradowanej o grubość warstwy przejściowej. Parametry wytrzymałościowe części niezdegradowanej zależne są od temperatury. Dlatego też niezbędna jest znajomość rozkładu temperatur w przekroju i takie rozkłady podawane są w normach [3, 5, 6] dla różnych przekrojów poddanych pożarom standardo- wym przez 30, 60, 90, 120 lub 240 minut. W przypadku konstrukcji drewnianych i stalowych profil temperatury zależy od tego, czy konstrukcja jest zabezpieczona warstwą farby pęczniejącej, tynku czy innych okładzin. W konstrukcjach drewnianych elementy zabezpie- czające zmniejszają szybkość zwęglania drewna oraz zasięgu strefy zwęglonej (po zniszczeniu warstwy zabezpieczającej). W normach zamieszczono też tablice, opracowane na podstawie metod uproszczo- nych, pozwalające na proste przyjmowanie wielkości geometrycznych zapewniających osiągnięcie zakładanej odporności ogniowej elementów [3, 6]. W przypadku konstrukcji żelbetowych są to minimalne wymiary przekroju (ściany, płyty, belki słupa) oraz minimalne grubości otuliny, w przypadku ścian murowanych – minimalne grubości ściany. W przypadku konstrukcji stalowych oszacowanie ognioodporności będzie najbardziej wiarygodne, jeśli w analizie zostanie uwzględnione jej rzeczywiste zachowanie. Aby otrzymać wiarygodną ocenę poszukiwanej odporności należy dążyć więc do całościowego ujmowania konstrukcji, tylko w ten sposób można uwzględnić wzajemne oddziaływanie poszczególnych elementów ustroju w czasie pożaru. Możliwe jest to tylko przy zastosowaniu zaawansowanych metod. Proste modele obliczeniowe dotyczą jedynie pojedynczych elementów, myślowo wyizolowanych z konstrukcji i nie uwzględniają zmian podatności podpór ograniczających te elementy. 3.2. Redystrybucja sił wewnętrznych w czasie pożaru w konstrukcji Jeśli w warunkach pożarowych zachodzi istotna redukcja sztywności elementu lub jego części, prowadzi to do redystrybucji sił wewnętrznych. Ma to miejsce w konstrukcjach żelbetowych po zarysowaniu przekroju oraz w konstrukcjach stalowych. 3.2.1. Redystrybucja w belkach żelbetowych Redystrybucja momentów w belkach i płytach ciągłych zachodzić może, gdy pożar pojawia się od dolnej strony belki lub płyty. Wzrost temperatury w wyniku takiego pożaru powoduje spadek granicy plastyczności prętów zbrojenia dolnego oraz zmniejszenie wy- trzymałości betonu, lub nawet wyłączenie zdegradowanej części przekroju. W efekcie nośność przekrojów przęsłowych spada. Redystrybucja momentów (zwiększenie momentów podporowych) jest możliwa pod warunkiem, że zdolność do obrotu na podporach jest wystarczająca, a w szczególności gdy zastosowano wystarczający przekrój zbrojenia podpo- rowego. Przyjmuje się, że wartości momentów podporowych po redystrybucji mają spełniać warunki równowagi w każdym przęśle, a ich średnia wartość jest różnicą między maksymalnym momentem przęsłowym pod równomiernym obciążeniem obliczeniowym w czasie wl pożaru ( M  Ed, fi eff ), a zredukowaną w wyniku pożaru nośnością przekroju przęsło- Ed, fi 8 wego. Projektowanie konstrukcji budowlanych z uwagi na warunki pożarowe ... 27 wana część przekroju. Wyjątkowo, w przypadku konstrukcji drewnianych zalecany normo- 3.2.2. Redystrybucja sił wewnętrznych w czasie pożaru w konstrukcjach wo jest sposób obliczeń zakładający brak modyfikacji parametrów wytrzymałości drewna stalowych w części niezdegradowanej, ale za to zwiększający zasięg strefy zdegradowanej o grubość warstwy przejściowej. Odpowiedź konstrukcji stalowych narażonych na działanie temperatur pożarowych Parametry wytrzymałościowe części niezdegradowanej zależne są od temperatury. w dużym stopniu zależy od zachowania węzłów łączących poszczególne elementy kon- Dlatego też niezbędna jest znajomość rozkładu temperatur w przekroju i takie rozkłady strukcyjne ustroju nośnego. podawane są w normach [3, 5, 6] dla różnych przekrojów poddanych pożarom standardo- Za ilustrację służyć może stalowa rama przedstawiona na rys.4. Podczas wstępnej fazy wym przez 30, 60, 90, 120 lub 240 minut. W przypadku konstrukcji drewnianych i stalo- ogrzewania, na skutek ograniczenia swobody indukowanych termicznie odkształceń gene- wych profil temperatury zależy od tego, czy konstrukcja jest zabezpieczona warstwą farby rowana jest w ryglu ściskająca siła osiowa (rys.4a). Wartość tej siły zależy od podatności pęczniejącej, tynku czy innych okładzin. W konstrukcjach drewnianych elementy zabezpie- węzłów ograniczających rygiel. Jeżeli jest znaczna, może prowadzić do zniszczenia wę- czające zmniejszają szybkość zwęglania drewna oraz zasięgu strefy zwęglonej (po znisz- złów, co zostało zasugerowane jako przyczyna katastrofy jednej z wież World Trade Center czeniu warstwy zabezpieczającej). [7]. W normach zamieszczono też tablice, opracowane na podstawie metod uproszczo- W miarę wzrostu temperatury maleje sztywność giętna rygla przekładając się na coraz nych, pozwalające na proste przyjmowanie wielkości geometrycznych zapewniających szybszy przyrost jego ugięcia. Z kolei narastające ugięcie sprawia, że rygiel zaczyna ściągać osiągnięcie zakładanej odporności ogniowej elementów [3, 6]. W przypadku konstrukcji ograniczające go podpory do wnętrza ramy, wskutek czego w ryglu pojawia się siła rozcią- żelbetowych są to minimalne wymiary przekroju (ściany, płyty, belki słupa) oraz minimalne gająca (rys.4b). Im wartość ugięcia jest większa, tym większa jest również wartość siły grubości otuliny, w przypadku ścian murowanych – minimalne grubości ściany. rozciągającej. W przypadku odpowiednio dużej wartości ugięcia rozciąganie zaczyna W przypadku konstrukcji stalowych oszacowanie ognioodporności będzie najbardziej przeważać nad ściskaniem. Z uwagi na to, że sztywność giętna jest już wtedy na tyle mała, wiarygodne, jeśli w analizie zostanie uwzględnione jej rzeczywiste zachowanie. Aby rygiel nie ma możliwości przeniesienia momentów zginających. Tak więc rozgrzany rygiel otrzymać wiarygodną ocenę poszukiwanej odporności należy dążyć więc do całościowego pracuje jak poprzecznie obciążone wiotkie cięgno [8], [9]. Takie zachowanie ramowych ujmowania konstrukcji, tylko w ten sposób można uwzględnić wzajemne oddziaływanie konstrukcji stalowych obserwowane było w realnych pożarach, a także podczas badań poszczególnych elementów ustroju w czasie pożaru. Możliwe jest to tylko przy zastosowa- konstrukcji ramowych przeprowadzonych w pełnej skali [11]. niu zaawansowanych metod. Proste modele obliczeniowe dotyczą jedynie pojedynczych elementów, myślowo wyizolowanych z konstrukcji i nie uwzględniają zmian podatności a) b) podpór ograniczających te elementy. 3.2. Redystrybucja sił wewnętrznych w czasie pożaru w konstrukcji Jeśli w warunkach pożarowych zachodzi istotna redukcja sztywności elementu lub jego części, prowadzi to do redystrybucji sił wewnętrznych. Ma to miejsce w konstrukcjach żelbetowych po zarysowaniu przekroju oraz w konstrukcjach stalowych. 3.2.1. Redystrybucja w belkach żelbetowych Redystrybucja momentów w belkach i płytach ciągłych zachodzić może, gdy pożar pojawia się od dolnej strony belki lub płyty. Wzrost temperatury w wyniku takiego pożaru powoduje spadek granicy plastyczności prętów zbrojenia dolnego oraz zmniejszenie wy- trzymałości betonu, lub nawet wyłączenie zdegradowanej części przekroju. W efekcie nośność przekrojów przęsłowych spada. Redystrybucja momentów (zwiększenie momentów podporowych) jest możliwa pod warunkiem, że zdolność do obrotu na podporach jest Rys. 4. Zachowanie stalowego rygla w pożarze według [10] (opis w tekście): a) rygiel poddany ściskaniu wystarczająca, a w szczególności gdy zastosowano wystarczający przekrój zbrojenia podpo- we wstępnej fazie ogrzewania, b) rygiel poddany rozciąganiu na skutek przyrostu ugięcia rowego. Przyjmuje się, że wartości momentów podporowych po redystrybucji mają spełniać warunki równowagi w każdym przęśle, a ich średnia wartość jest różnicą między maksy- 5. Podsumowanie malnym momentem przęsłowym pod równomiernym obciążeniem obliczeniowym w czasie Zapewnienie bezpieczeństwa pożarowego obiektów budowlanych wymaga szczegó- wlEd, fi eff pożaru ( M Ed, fi  ), a zredukowaną w wyniku pożaru nośnością przekroju przęsło- łowej analizy nie tylko zachowania się w pożarze zastosowanych materiałów budowlanych, 8 ale wymaga także analiz zachowania się konstrukcji. Zachowanie to zależy z jednej strony wego. od stopnia wytężenia elementów (z uwzględnieniem zachodzącej w czasie pożaru redystrybucji sił wewnętrznych) i cech materiałowych z drugiej strony. 28 Marek Grabias, Anna Halicka, Małgorzata Snela, Jerzy Szerafin

Literatura

[1] Ustawa „Prawo budowlane” z dnia 7.07.1994 (Dz.U. 1994 nr 89 poz. 414), z późn. zmianami – tekst ujednolicony (Dz.U. 2016 poz. 290). [2] PN-EN 1991-1-2:2004 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje Część 1-2: Oddziaływania ogólne. Oddziaływania na konstrukcje w warunkach pożaru. [3] EN 1992 Eurocode 2: Projektowanie konstrukcji z betonu – Część 1-2: Reguły ogólne. Projek- towanie z uwagi na warunki pożarowe. [4] EN 1993 Eurocode 3: Projektowanie konstrukcji stalowych – Część 1-2: Reguły ogólne. Projektowanie z uwagi na warunki pożarowe. [5] EN 1995 Eurocode 5 Projektowanie konstrukcji drewnianych – Część 1-2: Reguły ogólne. Projektowanie z uwagi na warunki pożarowe. [6] EN 1996 Eurocode 6: Projektowanie konstrukcji m,urowych – Część 1-2: Reguły ogólne. Projektowanie z uwagi na warunki pożarowe. [7] NIST Prevention of Progressive Collapse: Report on July 2002 National Workshop and Recommendations for Future Efforts, Multi Hazard Mitigation Council of NIST: Washing- ton,DC, 2003. [8] Yin Y.Z., Wang Y.C. Analysis of catenary action in steel beams using a simplified hand calculation method. Part 1: Theory and validation for uniform temperature distribution. Jour- nal of Constructional Steel Research, 61, 2005. [9] Maślak M., Snela M. Redystrybucja siły podłużnej w stalowym ryglu o narastającej w pożarze zdolności do wydłużenia. Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury (Journal of Civil Engineering, Environment and Architecture) XXX (60) (2/13) (2013) 189-202. [10] Chen L.. Robustness in fire of steel framed structures with realistic connections. PhD Thesis, Sheffield: University of Manchester, 2012. [11] Kirby BR. The behaviour of a multi-storey steel framed building subject to fire attack – experimental data. United Kingdom: British Steel Swindon Technology Centre; 1998.

Designing of building structures for fire conditions as a basis of people and estate during fire of building

Anna Halicka, Małgorzata Snela, Marek Grabias, Jerzy Szerafin

Building Structure Unit, Civil Engineering and Architecture Faculty, Lublin University of Technology, e–mail: [email protected]

Abstract: In the paper the ideas and basics of methods for designing of building structures under the fire conditions are presented. The influence of fire temperatures on the occurrence of additional actions on the one hand and the changes in material parameters on the other hand is mentioned. The attention is paid to specific behaviour of concrete, masonry, timber and steel structures in fire. Keywords: fire, design fire, classes of fire resistance, fire safety. Budownictwo i Architektura 15(3) (2016) 29-52

Issues of contemporary wind engineering and aerodynamics of building structures

Tomasz Lipecki, Paulina Jamińska

Department of Structural Mechanics, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Lublin University of Technology, e-mail: [email protected], [email protected]

Abstract: The paper reviews nowadays problems and issues of wind engineering and aerodynamics of building structures. The article mainly focuses on aerodynamics of building structures, shortly characterizing theoretical bases, which one must take into account when assuming wind loads. The three different approaches of collecting information in the field of wind loads are described: in-situ measurements, wind tunnel tests and numerical simulations. Also, a review of the most important contemporary issues of wind engineering is presented. Keywords: wind engineering, aerodynamics, wind tunnel, CFD, in-situ measurements.

1. Introduction

Wind loads became an object of special attention in the 60's and 70's of the XX century. This growing interest was mainly induced by a collapse of Tacoma Narrows Bridge and Ferrybridge Cooling Towers. The first event held in 1940 in US (Fig. 1a). The Tacoma Narrows Bridge – a suspension bridge of the large span and slender cross-section of the deck – suffered vibrations caused by the wind action. The wind speed was not extremely high, but its action and uncommon structure of the bridge led to uncontrolled vibrations. It was one of the first documented collapses caused by so-called flexural-torsional flutter. The second disaster took place in 1965 in UK (Fig. 1b). The cluster compound of eight cooling towers of large dimensions stood one by one in very close distances. The acceleration of the flow between objects and vortices shedding from the windward cooling towers were not considered during the design process. Additional wind loads were produced, and it was the direct cause of the total collapse of the three cooling towers and of serious damages of the other five.

a) b) Fig. 1. Collapses of: a) Tacoma Narrows ((http://www.ketchum.org/bridgecollapse.html), b) cooling towers in Ferrybridge (http://www.knottingley.org/history/tales_and_events.htm#Cooling%20Towers) 30 Tomasz Lipecki, Paulina Jamińska

Moreover, serious large hurricanes, cyclones and tornadoes brought many fatalities and destroyed huge areas of land and land infrastructure. All these aspects together gave rise to investigations in the field of wind engineering and structural aerodynamics. Wind engineering is a wider concept than aerodynamics, and covers, among others, the following fields of science: meteorology, structural mechanics, wind energy, probability theory, statistics, fluid dynamics, theory of structural safety and reliability, wind hazards (risk evaluation), medicine (comfort/discomfort). The very detailed definition of the wind engineering as the multi-disciplinary science was given by Cermak (1975). In more general division, based on Cermak's definition, the main topics of wind engineering are: winds and their characteristic in the atmospheric boundary layer (atmospheric circulation, wind types, structure of strong winds, extreme winds, topography and orography influences on wind structure), aerodynamics of buildings and structures (wind actions on structures, wind- structure interactions, aeroelastic phenomena, aerodynamic interference, wind and rain induced vibrations, structural response to wind actions safety and reliability of structures, damping), wind influence on people (pedestrians comfort, comfort of people in buildings, human reactions to wind-induced vibrations), environmental effects of wind (pollutant dispersion, sand or snow transport, waves on seas), wind power (wind farms and wind turbines), natural disasters (extreme winds risk assessment, damage reduction), normaliza- tion (regulations, standards, codes, design guidelines). This paper presents frames of the basic knowledge which engineers must have to respon- sibly assume wind actions on structures. Next, the presentation of three experimental methods allowing to gather data about wind actions, with examples of their applications, is enclosed. Contemporary problems faced by wind engineering are described at the end of the paper.

2. Base knowledge

2.1. Wind structure in atmospheric boundary layer (ABL) The atmospheric boundary layer can be distinguish close to the Earth’s surface. The structure of the wind in the ABL – the space, time and frequency characteristics of the wind speed – must be determined. Wind speed is a stochastic function of time and space, and can be expressed as the sum of the mean value – U (characterizing the static action) and fluctuation around the mean – U (characterizing the dynamic action), according to the equation:

Ui xyzt,,,  U ii xyz ,, U xyzt ,,, (1) where: i = x, y, z are respectively: horizontal component along the mean wind direction, second horizontal component perpendicular to the first one, and vertical component, t is time. The respective vector components of the wind speed can be alternatively described by letters: u, v and w. Every component is also the sum of the mean value and fluctuation:

u xyzt,,,  u xyz ,, u xyzt ,,, vxyzt ,,,  v xyz ,, v xyzt ,,, (2) wxyzt ,,,  wxyz ,, w xyzt ,,,

To describe wind speed, it is necessary to determine mean speed, and its changes along the height. In the ABL the vertical changes of the mean wind speed take place. Issues of contemporary wind engineering and aerodynamics ... 31

Moreover, serious large hurricanes, cyclones and tornadoes brought many fatalities The speed increases with the height above the ground, until it reaches the gradient wind and destroyed huge areas of land and land infrastructure. speed Ugrad, at the height zgrad. The variation of the mean wind speed with height can be All these aspects together gave rise to investigations in the field of wind engineering expressed using mathematical formulas known as vertical wind profiles. There are two and structural aerodynamics. groups of formulas describing the wind speed profile: theoretically developed logarithmic Wind engineering is a wider concept than aerodynamics, and covers, among others, equation (log-law profile) and power-law equation. The best known and firstly defined (by the following fields of science: meteorology, structural mechanics, wind energy, probability Alan Davenport), is the power-law formula, which illustrate wind speed changes over theory, statistics, fluid dynamics, theory of structural safety and reliability, wind hazards different terrain types (Davenport, 1960, 1965). The original values and formula given by (risk evaluation), medicine (comfort/discomfort). The very detailed definition of the wind Davenport are presented in Fig. 2, whereas profiles recommended by Eurocode (2008) are engineering as the multi-disciplinary science was given by Cermak (1975). In more general shown in Fig. 3a. division, based on Cermak's definition, the main topics of wind engineering are: winds and their characteristic in the atmospheric boundary layer (atmospheric circulation, wind types, structure of strong winds, extreme winds, topography and orography influences on wind structure), aerodynamics of buildings and structures (wind actions on structures, wind- structure interactions, aeroelastic phenomena, aerodynamic interference, wind and rain induced vibrations, structural response to wind actions safety and reliability of structures, damping), wind influence on people (pedestrians comfort, comfort of people in buildings, human reactions to wind-induced vibrations), environmental effects of wind (pollutant  z Uz U  dispersion, sand or snow transport, waves on seas), wind power (wind farms and wind   grad  turbines), natural disasters (extreme winds risk assessment, damage reduction), normaliza- zgrad tion (regulations, standards, codes, design guidelines). This paper presents frames of the basic knowledge which engineers must have to respon- sibly assume wind actions on structures. Next, the presentation of three experimental methods allowing to gather data about wind actions, with examples of their applications, is enclosed. Contemporary problems faced by wind engineering are described at the end of the paper.

2. Base knowledge Fig. 2. Wind profiles defined by Davenport over different terrains

2.1. Wind structure in atmospheric boundary layer (ABL) Turbulent character of wind must be defined if a wind action is considered. The following characteristics of the fluctuating part (turbulence) should be given: intensity and The atmospheric boundary layer can be distinguish close to the Earth’s surface. The scales of turbulence, peak factors, the correlation functions (in the time domain) and power structure of the wind in the ABL – the space, time and frequency characteristics of the wind spectral density functions (in the frequency domain). Intensity of turbulence, in general, speed – must be determined. Wind speed is a stochastic function of time and space, and can be defines time changes of the wind speed around the mean value. Turbulence length scale is a expressed as the sum of the mean value – U (characterizing the static action) and fluctuation measure of the size of gusts of the wind speed in space and represents the distance in which around the mean – U (characterizing the dynamic action), according to the equation: the process is correlated. Examples of that functions are presented in Fig. 3b, c. Correlation functions give the detailed description of the wind structure, as a space-time stochastic  Ui xyzt,,, U ii xyz ,, U xyzt ,,, (1) process in the time domain. On the basis of correlation functions one can get additional information of the wind structure in the frequency domain. Applying Fourier transforms to where: i = x, y, z are respectively: horizontal component along the mean wind direction, respective correlations we can get power spectral density functions (PSD). There are several second horizontal component perpendicular to the first one, and vertical component, t is practical PSD functions in wind engineering elaborated on the basis of local measurements. time. The respective vector components of the wind speed can be alternatively described by An example of PSD function is presented in Fig. 4. letters: u, v and w. Every component is also the sum of the mean value and fluctuation: Characteristics of the wind speed can be described differently depending on civil engineering standards and codes which consider wind actions on structures. Among the most u xyzt,,,  u xyz ,, u xyzt ,,, important standards in this field are: 1) Eurocode 1. Actions on structures – Part 1–4: vxyzt ,,,  v xyz ,, v xyzt ,,, (2) General actions – wind actions. 2) ASCE – American Society of Civil Engineers. Minimum wxyzt ,,,  wxyz ,, w xyzt ,,, design loads for buildings and other structures. 3) AS/NZS – Structural design actions – Part 2: Wind actions. Australian/New Zealand Standard. 4) AIJ – Architectural Institute of To describe wind speed, it is necessary to determine mean speed, and its changes Japan. RLB recommendations for loads on buildings. Tokyo, Japan. 5) CNS – Load code along the height. In the ABL the vertical changes of the mean wind speed take place. for the design of building structures, China National Standard. 7) ISO – ISO. 4354. Wind 32 Tomasz Lipecki, Paulina Jamińska actions on structures. Switzerland: International Organization for Standardization. 7) ESDU – Engineering Science Data Unit (this is not a code, but it contains many calculation procedures developed on the basis of in-situ and model measurements, it consists of several items).

Fig. 3. Wind characteristics according to Eurocode (2008): a) mean wind speed profiles, log-law formula (on the right – flat open terrain, on the left – big city center, b) turbulence intensity profiles (on the right – big city center, on the left – flat open terrain), c) turbulence length scale profiles (on the right – flat open terrain, on the left – big city center)

Fig. 4. Power spectral density (PSD) functions of component u of wind speed according to various formulas

2.2. Flow around bodies of different shapes Additionally to the wind characteristics, the character of flow in the close proximity of the objects of different shapes must be considered. In order to explain the flow phenomena that occurs in the vicinity of the body, let’s consider the flow around a flat wall (Fig. 5). If the air flows around a flat, smooth surface, then in the effect of the viscous forces the movement slows down in its immediate vicinity. The area in which this phenomenon occurs is called the boundary layer. Within it, the speed varies from 0 at the surface, to the value in the undisturbed flow. The thickness of the boundary layer, i.e. the distance from the body surface to the height of undisturbed flow, ranges from a few millimeters to tens of centimeters (or to several hundred meters in ABL). The thickness of the boundary layer increases with the distance from the first contact area of the air and the obstacle in the flow Issues of contemporary wind engineering and aerodynamics ... 33 actions on structures. Switzerland: International Organization for Standardization. 7) ESDU direction. The thickness of the boundary layer  depends on the size of the body, its surface – Engineering Science Data Unit (this is not a code, but it contains many calculation roughness, air viscosity, flow velocity and the nature of the flow itself, which can be laminar procedures developed on the basis of in-situ and model measurements, it consists of several or turbulent. items).

Fig. 5. Formation of boundary layer

Forces working in the boundary layer are: the inertial force resulting from the mass of the flow and the viscosity force that slows down the flow what causes the formation of a Fig. 3. Wind characteristics according to Eurocode (2008): a) mean wind speed profiles, log-law formula (on force tangential to the surface, opposite to the flow direction. We may also distinguish the right – flat open terrain, on the left – big city center, b) turbulence intensity profiles (on the right – forces derived from the pressure, slowing or accelerating the flow depending on the big city center, on the left – flat open terrain), c) turbulence length scale profiles (on the right – flat pressure increase or decrease in the flow direction. The resultant effect of these forces may open terrain, on the left – big city center) cause a slowdown in the flow, and consequently the possibility of the return movement (reversed flow), known as the boundary layer separation (detachment). The point on the surface to which the flow is returned is the point of separation (detachment) of the boundary layer. Sometimes also the term ‘separation bubble’ is used since the detachment occurs at a some length of the body. Beyond the point of separation, the reversed flow in a form of a vortex appears. The location of the area at the body surface, where the separation occurs, depends mainly on the shape and surface roughness of the body, velocity and the nature of the flow, which can be laminar or turbulent. Vortices formed in the flow can cause large suction on the surface of the object, of the largest value close to the point of detachment. The shape of the body is crucial for the flow features in its proximity. If the object has a streamlined cross-section (e.g. airfoils), the air flow adapts to its shape. This kind of sections are used in aviation, or in wind energy engineering as a rotor blades. Fig. 4. Power spectral density (PSD) functions of component u of wind speed according to various formulas The flow around bluff-bodies with sharp edges of a compact cross-sections and cross- sections elongated in a direction perpendicular to flow depends on Reynolds number – Re. 2.2. Flow around bodies of different shapes This dimensionless value represents the ratio of the inertia forces to the viscosity forces. In the field of civil engineering, high values of Re will be taken into account, like Re > 105. In Additionally to the wind characteristics, the character of flow in the close proximity of the case of bluff-bodies with sharp edges, at Re > 1000, the turbulent wake region (limited the objects of different shapes must be considered. In order to explain the flow phenomena by smaller vortices) is formed. Shear layers separate the streamline flow area (no vortices) that occurs in the vicinity of the body, let’s consider the flow around a flat wall (Fig. 5). If from the highly turbulent vortex area called aerodynamic wake (Fig. 6a). the air flows around a flat, smooth surface, then in the effect of the viscous forces the In the case of bluff-bodies with sharp edges elongated in flow direction, boundary movement slows down in its immediate vicinity. The area in which this phenomenon occurs layer separates on the windward edges, then at side walls reattaches to the surface (so-called is called the boundary layer. Within it, the speed varies from 0 at the surface, to the value in reattachment of the boundary layer), and next at leeward edges separates again to form a the undisturbed flow. The thickness of the boundary layer, i.e. the distance from the body narrower wake region. The flow depends not only on the windward surface, but also on the surface to the height of undisturbed flow, ranges from a few millimeters to tens of dimensions of the object along the flow direction (Fig. 6b). centimeters (or to several hundred meters in ABL). The thickness of the boundary layer The flow around bluff-bodies of oval sections strongly depends on Re. For different increases with the distance from the first contact area of the air and the obstacle in the flow ranges of Re, vortex shedding has different character from symmetrical shedding of two 34 Tomasz Lipecki, Paulina Jamińska vortices, periodical shedding to quasi-periodical vortex shedding. For example, when Re rises above 3.5·106 (super-critical range of Re) flow is completely turbulent, while vortex shedding exhibits a quasi-regularity (Fig. 6c). a)

Fig. 6. Flow over different simple cross-sections in dependence on Re, a) sharp edged compact or elongated in across-wind direction, b) sharp edged elongated along-wind direction, c) oval

The Navier-Stokes equations describe movement of the fluid (in our case – wind) with a use of the principle of mass and momentum conservation. The change of momentum of the fluid element depends on the external pressure and internal viscous forces in the fluid, and it can be represented by three components u, v, w in the following form:

 du1  p 222 uuu  uvw        Fx 222   dt  x xyz3 x x  y  z  222  dv1  p  v  v  v  u  v  w        Fy 222  (3)  dt  y xyz3 y x  y  z  dw1  p 222 w w w  u v w         Fz 222   dt  z xyz3 z x  y  z 

Using notations of pressure gradient (grad), divergence (div), Lagrange operator ( 2 ) and a material derivative D/ Dt , Navier-Stokes equations take the following form: D1u  f grad p  2 uu  grad div (4) D3t  Issues of contemporary wind engineering and aerodynamics ... 35 vortices, periodical shedding to quasi-periodical vortex shedding. For example, when Re rises Taking into account several assumptions, that: above 3.5·106 (super-critical range of Re) flow is completely turbulent, while vortex 1 The fluid is incompressible (the density is constant or its changes are negligible); shedding exhibits a quasi-regularity (Fig. 6c). 2 Fluid is inviscid, so its viscosity is omitted; 3 Flow is stationary, i.e. the derivatives of the velocity components with respect to a) time are equal to 0; 4 The external forces are ignored; the Bernoulli equation for the stationary, inviscid and incompressible flow will be obtained: du 1  grad p (5) dt  After integration:

1 p u2 const (6) b) 2 where: u – fluid (wind) speed, 0.5u2 – dynamic pressure, p – static pressure. On the basis of the Bernoulli equation, the pressure (positive pressure) or suction (negative pressure) – the aerodynamic loads acting on the body placed in the air flow which is perpendicular to its surface, can be defined. The pressure on the outer walls of the objects is mainly determined experimentally. It is most convenient to use dimensionless values of pressure coefficients, which are independent on the wind velocity. In practice, the c) dimensionless coefficient is determined according to the relationship:

p ppi   Cp  (7) qq

where: pi – surface pressure at point ‘i’, p and q – static pressure and wind speed pressure 2 Fig. 6. Flow over different simple cross-sections in dependence on Re, a) sharp edged compact or elongated in in undisturbed flow in the front of the object, qu 0.5 . The pressure coefficients are across-wind direction, b) sharp edged elongated along-wind direction, c) oval difficult to define for the real structure surfaces (in full-scale experiments), due to the obvious reason – costs. Most of the studies are done in the model scale, usually in wind tunnels. The Navier-Stokes equations describe movement of the fluid (in our case – wind) with a use of the principle of mass and momentum conservation. The change of momentum of 2.3. Aeroelastic phenomena the fluid element depends on the external pressure and internal viscous forces in the fluid, Any engineering structure can vibrate due to the action of: and it can be represented by three components u, v, w in the following form:  Inertia forces;

222  Elasticity forces;  du1  p  uuu  uvw  Fx        Aerodynamic forces.   222     dt x xyz3 x x y z Dynamic phenomena connected with wind action are:  222  dv1  p  v  v  v  u  v  w 1. Forced vibrations – occur when the time varying external force (independent from        Fy 222  (3) the vibration of the structure) is applied. The example of such behaviour is the dy-  dt  y xyz3 y x  y  z  namic response of the structure. dw1  p 222 w w w  u v w         2. Self-excited vibrations – the force disappears when the vibrations disappear. The Fz 222   dt  z xyz3 z x  y  z  vibrations are controlled by the vibration system itself – the feedback appears. Ex- amples of such vibrations are flutter, vortex excitation, galloping. Using notations of pressure gradient (grad), divergence (div), Lagrange operator ( 2 ) The forced, damped vibrations of the given mass are described by the general motion and a material derivative D/ Dt , Navier-Stokes equations take the following form: equation:

D1u  my cy ky P0 sinw t  (8) f grad p  2 uu  grad div (4) D3t  36 Tomasz Lipecki, Paulina Jamińska

Dynamic features of the structure must be taken into account because dynamic wind action can cause resonance or at least vibrations of unaccepted level. Taking into account dynamic action of the wind and dynamic response of any structure which can vibrate in the wind field the following various wind actions can appear: 1. Dynamic action of gusts. The wind gusts can cause along-wind vibrations of the structure. Fig. 7 illustrates structure's response to wind gusts. The approach was originally developed by Alan Davenport (e.g. 1960, 1965) and currently is used in several wind codes.

Fig. 7. Resonant (R) and background (B) parts of structure’s response, according to Davenport's approach

2. Vortex excitation. Von Kármán proved in 1912 that, the perfect periodical vortex street appears in case of circular cylinders in subcritical range of Reynolds number. When the frequency fv of vortex shedding is equal or near to the i-th natural frequency of the structure vibrations fi – the possibility of resonance may occur. The phenomenon is called lock-in and means synchronization of frequencies of vortex shedding and structure vibrations. Classical vortex street and changes of the frequency and the amplitude of vibrations with the wind speed, explaining the lock-in phenomenon are shown in Fig. 8. a) b)

Fig. 8. a) Von Kármán vortex street, b) lock-in; frequency (f) dependence on wind speed (u); an increase of amplitude of lateral vibrations, Y – lateral displacement, D – diameter, ucr – critical wind speed Issues of contemporary wind engineering and aerodynamics ... 37

Dynamic features of the structure must be taken into account because dynamic wind 3. Galloping. action can cause resonance or at least vibrations of unaccepted level. Taking into account A precondition for the galloping is an initial movement of the structure of small stiff- dynamic action of the wind and dynamic response of any structure which can vibrate in the ness, caused e.g. by detachment of vortices, or by gusts. Most frequently, this phenomenon wind field the following various wind actions can appear: occurs on overhead power lines, guys of masts, cables of cable-stayed bridges. It is more 1. Dynamic action of gusts. likely that the galloping will occur if there is ice on a structure, or because of rain, which The wind gusts can cause along-wind vibrations of the structure. Fig. 7 illustrates changes the aerodynamic properties of the cross-section. A scheme of the forces acting on structure's response to wind gusts. The approach was originally developed by Alan the system during galloping is shown in Fig. 9a. Davenport (e.g. 1960, 1965) and currently is used in several wind codes. 4. Flutter. The phenomenon of flutter is generated due to the feedback between vibrations in the direction of different degrees of freedom. In the classic flutter problem which appears for aircraft wings or bridges, the feedback occurs between vertical and torsional vibrations. Such system with two degrees of freedom is shown in Fig. 9b. Summing up, to assume realistic wind action on engineering structures, all above mentioned aspects (and many more) should be considered.

a) b)

Fig. 7. Resonant (R) and background (B) parts of structure’s response, according to Davenport's approach

3. Experimental methods

When the wind action is analysed, the level of uncertainty is high. To maximize the accuracy, several parameters of wind load must be determined with care. There are three ways which allow to determine features describing wind actions. These are: 1. In-situ (full-scale, real scale) measurements. 2. Model scale measurements. 3. Numerical simulations.

3.1. Full-scale tests Full-scale tests are obviously the most powerful tool in estimation of wind actions. Test could be performed on already erected objects, and thus could provide a database for designers of future structures. This leads to the basic limitation of full-scale tests which results are sometimes impossible to implement in new design or already erected structures. The second limitation is connected to the difficulty of proper instrumentation of the Fig. 8. a) Von Kármán vortex street, b) lock-in; frequency (f) dependence on wind speed (u); an increase of structure. The third, and probably the most important limitation, is a huge cost of measure- amplitude of lateral vibrations, Y – lateral displacement, D – diameter, ucr – critical wind speed ment installation. Currently, there are limited data gathered from the full-scale experiments. 38 Tomasz Lipecki, Paulina Jamińska

The majority of results were derived from long-lasting monitoring of bridges, high-rise buildings and roofs of large spans, and also from meteorological measurements of wind field over different terrains. These tests supply data about wind flow around objects of different shapes, wind pressure on outer surfaces of objects or response of the structure to wind action which could be described by vibration accelerations. To give the better view on various wind engineering full-scale tests, performed during recent years, some examples are enclosed below. The wind features were measured by Roth (2000) who analysed data about wind turbulence in urban areas. Li et al. (2010) described wind characteristics for urban terrain in Beijing, whereas He et al. (2013) gave description of the wind field in Hong Kong. Wind characteristics for conditions of open terrain were estimated by Shiau and Chen (2002) and Tieleman (2008). With the development of measurement techniques, wind engineering also engage more and more modern and advanced methods. Tamura et al. (2001, 2007) used Doppler sodars to measure wind characteristics over terrain of different roughness. Dominguez et al. (2013), Gonzalo et al. (2014) developed the measurement system based on particle tracking in the air. Data from full-scale tests of buildings are rather limited. Dalgliesh (1975), Dalgliesh et al. (1983) was one of the pioneers in measurements of high-rise buildings. He made test of the 57-storey building in Toronto, measuring surface wind pressure and vibration response of the building. There are objects which were measured in details in the full-scale as well as in the model-scale in wind tunnels through the years. Moreover, data obtained for these buildings are the validation base for several numerical methods. These are: SILSOE Building erected 1986/1987, of dimensions: D = 24 m, B = 12.9 m, H = 5.3 m (e.g. Richardson et al., 1997) and SILSOE Cube of dimensions: D = B = H = 6 m (e.g. Richards and Hoxey, 2008, 2012); CAARC – Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council of dimensions: D = 45.72 m, B = 30.48 m, H = 182.88 m (e.g. Melbourne, 1980, Goliger and Milford, 1988, Huang et al., 2007); TTB – Texas Tech Building of dimensions: D = 13.7 m, B = 9.1 m, H = 4 m. (e.g. Cochran and Cermak, 1992, Endo et al., 2006). Recent years brought more data from long-term monitoring of the wind action and the response of large structures. The results concern wind field features around structures, surface wind pressures, displacements, velocities or accelerations of objects. Many tests are carried out during extreme winds like typhoons, cyclones, tornadoes, etc. For several buildings (among others: Di Wang Tower, China, H = 325 m; Central Plaza Tower, Hong Kong, H = 374 m; Guangzhou International Finance Centre, China, H = 432 m; Jin Mao Buiding, China, H = 420,5 m; Canton Tower, China, H = 610 m; three buildings in Chicago) the results of extreme wind action were presented (e.g. Li et al., 2005, 2008, Li and Wu 2007, Fu et al., 2012, Guo et al., 2012, Bashor et al., 2012). 3.2. Model-scale tests From the point of view of costs and accuracy, the reasonable alternative to full-scale tests is model-scale testing. The large advantage of such tests is that they are usually carried out when the engineering structure is still in the design stage. Such experiments are performed in water channels or mainly in wind tunnels. First, the scale model of the real structure is created and next it is placed in the special tunnel where artificial wind flow is created with the use of fans. If the tests in the tunnel are intended to refer to a particular real object, it is necessary to perform appropriate model scaling and flow scaling. Unfortunately, a scaling process raises a number of problems. If one has to determine the external wind pressure on the Issues of contemporary wind engineering and aerodynamics ... 39

The majority of results were derived from long-lasting monitoring of bridges, high-rise object, then it is sufficient to scale the object's dimensions and mount the model rigidly in buildings and roofs of large spans, and also from meteorological measurements of wind the tunnel. When data about structural response of the object are needed (e.g. structure field over different terrains. These tests supply data about wind flow around objects of vibrations induced by the wind load), the simple scaling of geometry is insufficient and different shapes, wind pressure on outer surfaces of objects or response of the structure to appropriate scaling of stiffness and weight distribution along the height/span is necessary. wind action which could be described by vibration accelerations. The second scaling problem, often even more difficult to overcome, is the wind structure To give the better view on various wind engineering full-scale tests, performed during scaling, so that the boundary layer generated in the tunnel corresponds to the atmospheric recent years, some examples are enclosed below. The wind features were measured by Roth boundary layer occurring in the reality. Appropriate (in relation to reality) model and flow (2000) who analysed data about wind turbulence in urban areas. Li et al. (2010) described scaling, is based on similarity analysis, which gives similarity criteria of objects and flows wind characteristics for urban terrain in Beijing, whereas He et al. (2013) gave description between model and real scale. Reliable experiments can be conducted, only when similarity of the wind field in Hong Kong. Wind characteristics for conditions of open terrain were criteria are fulfilled. estimated by Shiau and Chen (2002) and Tieleman (2008). With the development of Through the years, the most common techniques used in wind tunnels were: measurement techniques, wind engineering also engage more and more modern and  Hot-wire anemometers (thermo-anemometers) measurements. They are used to advanced methods. Tamura et al. (2001, 2007) used Doppler sodars to measure wind measure the instantaneous velocity of flow in one or two (sometimes three) direc- characteristics over terrain of different roughness. Dominguez et al. (2013), Gonzalo et al. tions. Measurements with the use of hot-wire anemometers were made by e.g. Bar- (2014) developed the measurement system based on particle tracking in the air. toli et al. (2006), Kim and Han (2011), Pozzuoli et al. (2013), Błazik-Borowa et al. Data from full-scale tests of buildings are rather limited. Dalgliesh (1975), Dalgliesh (2011), Bęc et al. (2011). et al. (1983) was one of the pioneers in measurements of high-rise buildings. He made test  Pressure measurements. Pressure taps are mounted on the surface of the object and of the 57-storey building in Toronto, measuring surface wind pressure and vibration then connected by thin tubes to the pressure transducer, which is placed outside the response of the building. model, or even outside the tunnel. The transducer measures pressure difference be- There are objects which were measured in details in the full-scale as well as in the tween the pressure tap placed on the building surface and the reference pressure model-scale in wind tunnels through the years. Moreover, data obtained for these buildings tap. Recently, pressure measurements were performed by e.g. Aly (2013), Rizzo are the validation base for several numerical methods. These are: SILSOE Building erected (2012), Elsharawy et al. (2015), Yi and Li (2015), Bell et al. (2016), Taylor et al. 1986/1987, of dimensions: D = 24 m, B = 12.9 m, H = 5.3 m (e.g. Richardson et al., 1997) (2014), Cluni et al. (2011), Pozzuoli et al. (2013), Hu et al. (2015), Kim et al. and SILSOE Cube of dimensions: D = B = H = 6 m (e.g. Richards and Hoxey, 2008, 2012); (2015), Šarkić et al. (2015), Lipecki (2015), Lipecki and Jamińska (2012). CAARC – Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council of dimensions:  Force measurements on force balance. The force balance allows for direct meas- D = 45.72 m, B = 30.48 m, H = 182.88 m (e.g. Melbourne, 1980, Goliger and Milford, urement of components of the global aerodynamic force and moment. The force 1988, Huang et al., 2007); TTB – Texas Tech Building of dimensions: D = 13.7 m, balance is equipped with the set of strain gauges in the specific arrangement. On B = 9.1 m, H = 4 m. (e.g. Cochran and Cermak, 1992, Endo et al., 2006). the basis of the stresses in the force balance elements, calculated from the strain Recent years brought more data from long-term monitoring of the wind action and the gauges measurements, global forces and moments acting on the model are derived. response of large structures. The results concern wind field features around structures, Such technique was used by e.g. Aly (2013), Yi and Li (2015), Cluni et al. (2011), surface wind pressures, displacements, velocities or accelerations of objects. Many tests are Šarkić et al. (2015), Letchford et al. (2016). carried out during extreme winds like typhoons, cyclones, tornadoes, etc. For several  Measurements of displacements, velocities and accelerations. There are various buildings (among others: Di Wang Tower, China, H = 325 m; Central Plaza Tower, Hong types of sensors that can measure displacements, velocities or accelerations (in one, Kong, H = 374 m; Guangzhou International Finance Centre, China, H = 432 m; Jin Mao two or three directions). Such devices are useful, for example in vibrations fre- Buiding, China, H = 420,5 m; Canton Tower, China, H = 610 m; three buildings in quency measurements, and are used mainly for aeroelastic models. Accelerations Chicago) the results of extreme wind action were presented (e.g. Li et al., 2005, 2008, were measured by e.g. Bęc et al. (2013). Li and Wu 2007, Fu et al., 2012, Guo et al., 2012, Bashor et al., 2012).  Flow visualization. Visualization is used mainly to study the flow around objects. 3.2. Model-scale tests There are different methods of flow visualization, they could be very simple, like: threads, powdered pigments, smoke, or more advanced, like: smoke or airborne From the point of view of costs and accuracy, the reasonable alternative to full-scale particles which are accompanied by photographs of laser-lighted planes. Flow visu- tests is model-scale testing. The large advantage of such tests is that they are usually carried alization was used by e.g. in Ozmen et al. (2016), Bell et al. (2016), Hu et al. out when the engineering structure is still in the design stage. Such experiments are (2015), Afshin et al. (2016). performed in water channels or mainly in wind tunnels. First, the scale model of the real As more recent and developed techniques used in wind tunnels, the following can be structure is created and next it is placed in the special tunnel where artificial wind flow is listed: created with the use of fans.  Laser Doppler Velocimetry – LDV (Laser Doppler Anemometry – LDA). This If the tests in the tunnel are intended to refer to a particular real object, it is necessary technique uses laser to measure the velocity in the flow. The LDA uses the Doppler to perform appropriate model scaling and flow scaling. Unfortunately, a scaling process effect – shift in the light frequency emitted by the source (in this case, the laser) and raises a number of problems. If one has to determine the external wind pressure on the registered by the observer. It requires markers in the form of particles in the flow. 40 Tomasz Lipecki, Paulina Jamińska

LDA was recently used e.g., by: Kim and Han (2011), Carpentieri and Robins (2015).  Particle Image Velocimetry (PIV). It is another technique used to measure the flow velocity. Similarly, as in the LDA, it requires particles floating in the flow. In the PIV, two pictures one after another are taken and the distance over which particles migrated in this short period of time is calculated. Thanks to its broad potential, PIV is more often used recently, e.g., by: Taylor et al. (2014), Oguma et al. (2013), Jin et al. (2015). The wide review of existing wind tunnel techniques used mainly for pedestrian wind comfort was recently made by Blocken et al. (2016). Last years brought new opportunities to wind action measurements. The Wall of Wind (WOW), Florida, USA, is the battery of large fans which allows to perform simulations in the real scale or in the intermediate scale between full and model (for instance 1:10). It is mainly used for tests connected to hurricanes or wind-driven rain impact on structures (Mooneghi et al., 2014, Blessing et al., 2009, Beheru et al., 2014, Aly et al., 2012, Habte et al., 2015). In 2011, next to the existing tunnels in the University of Western Ontario, a special wind tunnel for tornadoes, and downbursts accompanying hurricanes, was created – The Wind Engineering, Energy and Environment Research Institute, so-called WindEEE (Refan et al., 2014, 2016). 3.3. Numerical simulation Computational Wind Engineering (CWE) and Computational Fluid Dynamics (CFD) consist of various types of flow numerical simulations, objects-flow interactions, etc. When talking about CWE one can consider, for example, the simulation of the wind field as the stochastic process. CFD focuses on simulations of turbulent flows around different structures. Recently, the wide summary of CFD past and current achievements, as well as future challenges in wind engineering applications, was described by Blocken (2014). There are numerous methods which allow to perform simulations of turbulent flows (corresponding to atmospheric flows). CFD methods, adopting different flow models, are: DNS (Direct Numerical Simulation), RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes), LES (Large Eddy Simulation), DVM (Discrete Vortex Method). Results obtained in wind engineering and building aerodynamics simulations are still not clear and must be based on extensive theoretical knowledge. Therefore, CFD simulations are usually accompanied by model or in situ tests, and the results apply only to the analysed case. Numerical simulations still need to be validated experimentally. Computer simulations are relatively not expensive, but due to the validation necessity, costs can increase dramatically. The large advantage of CFD is that after validation of one case, other cases, e.g. associated with the changes of the angle of wind attack, could be also computed. Graphical summary of methods with respect to the accuracy, the speed of operation and the associated costs, is represented by the diagram shown in Fig. 10. While conducting CFD analyses, a special attention should be paid to several recommendations, use of which will increase the correctness of obtained results. The most important of them are: 1. For all methods based on grid discretization, the final calculations should be pre- ceded by a grid sensitivity analysis. The correct solution should be grid-independent. 2. The results of simulations should be carefully checked on the basis of model or in- situ experiments, or in the absence of such results, on the basis of the literature. Up to the present moment, considerable database of flows around single buildings, or systems of Issues of contemporary wind engineering and aerodynamics ... 41

LDA was recently used e.g., by: Kim and Han (2011), Carpentieri and Robins buildings was created. The process of comparing the results of simulations and tests is (2015). called validation. Verification, however, refers e.g. to checking if the correct mathematical  Particle Image Velocimetry (PIV). It is another technique used to measure the flow model was used in the phenomenon description, or to checking the correctness of the velocity. Similarly, as in the LDA, it requires particles floating in the flow. In the program code. (Gousseau et al., 2013). PIV, two pictures one after another are taken and the distance over which particles 3. Numerical simulations should be carried out in accordance with the guidelines de- migrated in this short period of time is calculated. Thanks to its broad potential, scribed thoroughly in the literature. The guidelines are based on calculations accurately PIV is more often used recently, e.g., by: Taylor et al. (2014), Oguma et al. (2013), validated with experimental results. They relate mainly to the size of the computational Jin et al. (2015). domain and the distance between the model and domain walls, the number of cells used The wide review of existing wind tunnel techniques used mainly for pedestrian wind along model edges, etc. The most detailed guidelines for CFD study were presented, among comfort was recently made by Blocken et al. (2016). other papers, by Franke et al., 2007, 2011, Yoshie et al., 2007, Tominaga et al., 2008, Last years brought new opportunities to wind action measurements. The Wall of Wind Tamura et al., 2008. (WOW), Florida, USA, is the battery of large fans which allows to perform simulations in the real scale or in the intermediate scale between full and model (for instance 1:10). It is mainly used for tests connected to hurricanes or wind-driven rain impact on structures (Mooneghi et al., 2014, Blessing et al., 2009, Beheru et al., 2014, Aly et al., 2012, Habte et al., 2015). In 2011, next to the existing tunnels in the University of Western Ontario, a special wind tunnel for tornadoes, and downbursts accompanying hurricanes, was created – The Wind Engineering, Energy and Environment Research Institute, so-called WindEEE (Refan et al., 2014, 2016). 3.3. Numerical simulation Computational Wind Engineering (CWE) and Computational Fluid Dynamics (CFD) consist of various types of flow numerical simulations, objects-flow interactions, etc. When talking about CWE one can consider, for example, the simulation of the wind field as the Fig. 10. Relations between methods of solving N-S and continuity equations stochastic process. CFD focuses on simulations of turbulent flows around different structures. Recently, the wide summary of CFD past and current achievements, as well as The topics most frequently considered in CFD deal with: atmospheric boundary layer future challenges in wind engineering applications, was described by Blocken (2014). simulations, bluff body aerodynamics, pedestrian-level wind conditions, air pollutant There are numerous methods which allow to perform simulations of turbulent flows dispersion, flow over complex terrain, ventilation of buildings, wind-driven rain, snow (corresponding to atmospheric flows). CFD methods, adopting different flow models, are: distribution, wind loads on buildings and structures, assessment of wind farms localization, DNS (Direct Numerical Simulation), RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes), LES aerodynamics of wind turbines, road vehicle aerodynamics, trains aerodynamics, windborne (Large Eddy Simulation), DVM (Discrete Vortex Method). Results obtained in wind flying debris, sport aerodynamics, etc. engineering and building aerodynamics simulations are still not clear and must be based on extensive theoretical knowledge. Therefore, CFD simulations are usually accompanied by 4. Current and future issues in wind engineering model or in situ tests, and the results apply only to the analysed case. Numerical simulations still need to be validated experimentally. Computer simulations are relatively not expensive, The review of recent major topics, undertaken by wind engineering and structure aer- but due to the validation necessity, costs can increase dramatically. The large advantage of odynamics, was made on the basis of the papers published recently, and on the basis of CFD is that after validation of one case, other cases, e.g. associated with the changes of the presentations showed during the most important "wind" conferences. The main journal angle of wind attack, could be also computed. Graphical summary of methods with respect which deals with the subject is Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. to the accuracy, the speed of operation and the associated costs, is represented by the The division of main topics of all papers published in JWEIA since 2013 till April, 2016 is diagram shown in Fig. 10. compiled in Table 1. Of course, this division is subjective, because in some papers several While conducting CFD analyses, a special attention should be paid to several recom- issues were considered. For example, the development of CFD techniques is presented with mendations, use of which will increase the correctness of obtained results. The most the case study related to the cable-stayed bridge or wind turbine, wind loads on roofs are important of them are: calculated for atmospheric boundary layer as well as for tornado or hurricane, wind 1. For all methods based on grid discretization, the final calculations should be pre- structure is described in details on the occasion of wind loads estimation for different ceded by a grid sensitivity analysis. The correct solution should be grid-independent. structures, etc. Each paper was classified to one topic only, what gave the overall view on 2. The results of simulations should be carefully checked on the basis of model or in- major topics. The great majority of papers included: wind tunnel tests, full-scale tests or situ experiments, or in the absence of such results, on the basis of the literature. Up to the CFD studies performed for the given structure or the group of structures. In every case, present moment, considerable database of flows around single buildings, or systems of numerical simulations were validated with respect to wind tunnel or full-scale tests. 42 Tomasz Lipecki, Paulina Jamińska

There are six major conferences related to wind engineering field of study. These are: International Conference on Wind Engineering (ICWE14, every 4 years, last – 14th in Brazil, 2015), European & African Conference on Wind Engineering (EACWE6, every 4 years, last – 6th in UK, 2013), Asia-Pacific Conferences on Wind Engineering (APCWE8, every 4 years, last – 8th in India, 2013), American Conference on Wind Engineering (ACWE12, every 4 years, last – 12th in USA, 2013), International Symposium on Computational Wind Engineering (CWE6, every 4 years, last – 6th in Germany, 2014), International Colloquium on Bluff Body Aerodynamics and Applications (BBAA7, every 4 years, last – 7th in China, 2012). The division of topics mentioned during last conferences, similar to the division presented above, is collected in Table 2. Since many more issues were addressed, the additional topics were added.

Table 1. Review of topics published in JWEIA in period 2013 – April, 2016 Topic 2013 2014 2015 2016 Flow over complex terrain, terrain local topography 2 2 6 1 Wind field description, wind structure, modelling of wind in CFD 17 12 11 7 Extreme winds, typhoons, cyclones, hurricanes, downbursts 8 9 13 4 Tornadoes 3 2 6 2 Circular, elliptic, oval cross-sections (cylinders), also cables 7 7 5 1 Bridges, pylons, decks, flutter 11 17 12 1 Square, rectangular cross-sections, prisms, low-rise buildings 6 13 13 3 Roofs 6 6 9 3 High-rise buildings 6 4 8 1 Interference, shielding effect, arrays of buildings 3 1 6 1 Towers, masts, chimneys, lattice structures - 3 3 1 Uncommon structures (e.g. domes, tanks, monument structures, cooling 4 8 7 - towers, road signs, windbreakers, membrane structures, scaffoldings, air- cushion vehicles, etc.) Transmission lines - 1 - - Subway, road, rail tunnels 1 - 3 - Porous media 2 3 - - Dampers and damping 3 1 1 - Vibration comfort in buildings, thermal comfort in buildings, human body 2 3 - - reaction to vibrations Railway aerodynamics, high-speed trains, trains 5 10 12 2 Road vehicles aerodynamics, trucks 5 6 11 2 Wind energy, wind farms, wind turbines, airfoils 32 25 40 9 Solar collectors, panels, farms 8 4 3 - Pedestrian level wind comfort, smoke dispersion, pollutant dispersion, 6 1 4 1 ventilation in urban areas Rain load, wind-driven rain 3 4 5 - Snow-wind load - - 1 - Ice load, accretion 1 - 1 - Forests, trees, vegetation 2 1 1 - Windborne flying debris - 1 2 - Standards and codes - 3 - - Sport aerodynamics - 2 2 - Sail aerodynamics - - 1 - Other (e.g. CFD theory, CFD development, CFD grid verification, wind 3 5 8 - tunnel description, wind engineering review, etc.) Issues of contemporary wind engineering and aerodynamics ... 43

There are six major conferences related to wind engineering field of study. These are: Table 2. Review of topics presented during last major conferences in wind engineering th International Conference on Wind Engineering (ICWE14, every 4 years, last – 14 in Topic a) b) c) d) e) f) Brazil, 2015), European & African Conference on Wind Engineering (EACWE6, every 4 Flow over complex terrain, terrain local topography 3 2 1 1 6 5 years, last – 6th in UK, 2013), Asia-Pacific Conferences on Wind Engineering (APCWE8, Wind field description, wind structure, modelling of wind in 9 13 10 14 31 39 every 4 years, last – 8th in India, 2013), American Conference on Wind Engineering CFD, wind characteristics measurements (ACWE12, every 4 years, last – 12th in USA, 2013), International Symposium on Extreme winds, typhoons, cyclones, hurricanes, downbursts, 8 4 36 17 3 52 Computational Wind Engineering (CWE6, every 4 years, last – 6th in Germany, 2014), wind storms, wind hazard assessment, wind vulnerability and International Colloquium on Bluff Body Aerodynamics and Applications (BBAA7, every 4 risks Tornadoes 2 - 12 2 2 12 years, last – 7th in China, 2012). The division of topics mentioned during last conferences, Circular, elliptic, oval cross-sections (cylinders), also cables 9 5 2 3 4 13 similar to the division presented above, is collected in Table 2. Since many more issues Bridges, pylons, decks, flutter 49 24 26 17 17 46 were addressed, the additional topics were added. Square, rectangular cross-sections, prisms, low-rise, medium- 32 11 7 11 11 40 rise buildings Table 1. Review of topics published in JWEIA in period 2013 – April, 2016 Roofs, large-span roofs, stadium roofs 10 4 13 10 3 24 Topic 2013 2014 2015 2016 High-rise buildings 11 9 15 14 8 37 Flow over complex terrain, terrain local topography 2 2 6 1 Interference, shielding effect, arrays of buildings 8 6 3 10 - 12 Wind field description, wind structure, modelling of wind in CFD 17 12 11 7 Towers, masts, chimneys, lattice structures, cranes, slender 2 2 - 8 1 14 Extreme winds, typhoons, cyclones, hurricanes, downbursts 8 9 13 4 structures Tornadoes 3 2 6 2 Uncommon structures (e.g. domes, tanks, monument structures, 13 7 8 5 7 11 Circular, elliptic, oval cross-sections (cylinders), also cables 7 7 5 1 cooling towers, road signs, membrane structures, scaffoldings, Bridges, pylons, decks, flutter 11 17 12 1 air-cushion vehicles, helicopters, inflatable structures, air- Square, rectangular cross-sections, prisms, low-rise buildings 6 13 13 3 cooler condensers windshields, traffic light structures, cyclone shelters, spiked cross-sections, lighting poles, silo, pyramids, Roofs 6 6 9 3 etc.) High-rise buildings 6 4 8 1 Transmission lines 1 1 1 2 4 9 Interference, shielding effect, arrays of buildings 3 1 6 1 Subway, road, rail tunnels - 1 - - 2 - Towers, masts, chimneys, lattice structures - 3 3 1 Porous media, permeable elements 3 - - 1 - 3 Uncommon structures (e.g. domes, tanks, monument structures, cooling 4 8 7 - Dampers and damping 1 6 2 4 2 7 towers, road signs, windbreakers, membrane structures, scaffoldings, air- cushion vehicles, etc.) Vibration comfort in buildings, thermal comfort in buildings, - 4 1 4 9 4 human body reaction to vibrations, ventilation in buildings, Transmission lines - 1 - - internal pressure in buildings Subway, road, rail tunnels 1 - 3 - Railway aerodynamics, high-speed trains, trains 5 6 1 1 4 2 Porous media 2 3 - - Road vehicles aerodynamics, trucks 5 2 - 2 2 5 Dampers and damping 3 1 1 - Wind energy, wind farms, wind turbines, airfoils 1 10 21 23 17 33 Vibration comfort in buildings, thermal comfort in buildings, human body 2 3 - - Solar collectors, panels, farms, panel arrays, photovoltaic 1 4 6 4 2 11 reaction to vibrations systems Railway aerodynamics, high-speed trains, trains 5 10 12 2 Pedestrian level wind comfort, smoke dispersion, pollutant 12 10 3 5 34 21 Road vehicles aerodynamics, trucks 5 6 11 2 dispersion, ventilation in urban areas, traffic pollution, thermal Wind energy, wind farms, wind turbines, airfoils 32 25 40 9 environment, street canyons Solar collectors, panels, farms 8 4 3 - Rain load, wind-driven rain 3 - 1 - 2 9 Pedestrian level wind comfort, smoke dispersion, pollutant dispersion, 6 1 4 1 Snow-wind load, snow drifts, snow particles - 2 - 2 3 3 ventilation in urban areas Ice load, accretion 1 4 1 1 - 6 Rain load, wind-driven rain 3 4 5 - Forests, trees, vegetation 4 - - - 4 2 Snow-wind load - - 1 - Windborne flying debris 1 - 5 2 1 1 Ice load, accretion 1 - 1 - Standards and codes - 6 11 1 - 5 Forests, trees, vegetation 2 1 1 - Sport aerodynamics 1 2 - - - - Windborne flying debris - 1 2 - Sail aerodynamics - 2 - - 2 - Standards and codes - 3 - - Other (e.g. CFD theory, CFD development, CFD grid 5 10 12 13 27 30 Sport aerodynamics - 2 2 - verification, wind tunnel description, wind engineering review, Sail aerodynamics - - 1 - measurement techniques, terminology etc.) Other (e.g. CFD theory, CFD development, CFD grid verification, wind 3 5 8 -  columns description: a) BBAA7, 2012, b) EACWE6, 2013, c) ACWE12, 2013, tunnel description, wind engineering review, etc.) d) APCWE8, 2013, e) CWE6, 2014, f) ICWE14, 2015 44 Tomasz Lipecki, Paulina Jamińska

The largest number of published papers was devoted to wind energy. The field of wind energy is wide and it is connected with optimization of airfoils and wind turbines. Many of articles referred to CFD simulations and wind tunnel measurements of different types of wind turbines: with horizontal (HAWT) and vertical (VAWT) axis. Large wind farms consisting of clusters of wind turbines were also investigated. Some papers also considered the possible localization of wind farms with respect to energy harvest. More frequently FSI (fluid-structure interaction) and transient numerical simulations were used as the main tool of analyses. The methods of wind field description are still being developed. Modern measurement techniques allow to perform more exact measurements of wind characteristics in atmospheric boundary layer (ABL). Both, the results of measurements in microscale (less than 2 km), as well as in macroscale (synoptic scale, several hundreds of km) are used in wind engineering. Description of the wind field as the non-Gaussian process is applied to downbursts and is currently being developed. Numerical methods of simulation of Gaussian and non-Gaussian type processes are being expanded. Another problem is connected to the correct implementa- tion of ABL to wind tunnel measurements and to CFD simulations. Whereas, the first matter is rather well known (but still needs investigation), the second is currently under strong interest of researchers. The proper representation of ABL, both in wind tunnels and in numerical domain, results in simulations with the conditions closer to the reality. Bridges, as one of the most spectacular structures, and moreover – structures which every year are designed with larger spans, and for which wind action could be a dimensioning load, are under continuous attention of wind engineers. Different models of flatter and buffeting load are developed. Full-scale and wind tunnel results, as well as CFD calculations (sometimes all three experiments together) were presented for various cable-stayed bridges, suspension bridges, footbridges, etc. Optimization of a bridge deck was also investigated. Many papers dealt with bluff body aerodynamics. Wind tunnel tests concerned flow around circular, square, rectangular 2D cross-sections as well as 3D prisms of different cross-sections. Several papers considered bridge cables of circular cross-section, galloping phenomena of slender elements, etc. The low-rise and medium-rise buildings, which shapes are predominantly rectangular or square, were also included in that topic. Various investigations such as measurements of wind field around buildings, pressures on the outer surfaces or wind impact on claddings were performed. Large emphasis was also put on extreme winds, like: cyclones, typhoons, tropical storms and tornadoes. Modelling of such extreme wind events concerned mainly downbursts, which precede thunderstorms, and also tornadoes in relation to their impact to the engineering structures. Nowadays, it is possible to model tornadoes in model scale (see WindEEE) as well as in CFD. There were also presented some data from full-scale monitoring of engineering structures, mainly of high-rise buildings during extreme wind events. Another very important issues are: wind hazard assessment and wind vulnerability of structures. These topics are, in many regions of the world, crucial to local people and to strength of structures placed there. Many papers and conference presentations concerned roofs of various shapes. For the basic rectangular shapes, pressure distribution was investigated, sometimes with respect to so-called conical vortices – vortices which cause large suction on the roof, close to its edge. Surface pressures and the influence of parapets or attics on the flow over the roof were also considered. Different shapes of rectangular roofs, for example stepped roofs, were checked in wind tunnels, full scale or in CFD. Practical problems like different kinds of linings, green roofs with gardens on the top of high-rise buildings, etc. were analysed. Large span roofs over halls or stadiums were measured and also calculated in CFD. Issues of contemporary wind engineering and aerodynamics ... 45

The largest number of published papers was devoted to wind energy. The field of Wind action is dominant in case of high-rise buildings and cannot be neglected. In wind energy is wide and it is connected with optimization of airfoils and wind turbines. their case, different combinations of load should be investigated (sometimes crosswind load Many of articles referred to CFD simulations and wind tunnel measurements of different connected with torsional load could be larger than along-wind load). Modern high-rise types of wind turbines: with horizontal (HAWT) and vertical (VAWT) axis. Large wind buildings are almost always of complicated shapes, based on basic rectangles or ovals. They farms consisting of clusters of wind turbines were also investigated. Some papers also may have corner modifications, be tilted, tapered, helical, have setbacks, openings or considered the possible localization of wind farms with respect to energy harvest. More combine various features. It makes every of them a unique structure, vulnerable to the wind frequently FSI (fluid-structure interaction) and transient numerical simulations were used as load, and that is why they must be modelled and examined in wind tunnel tests. the main tool of analyses. From the point of view of urban planning and people living in existing settlements, a The methods of wind field description are still being developed. Modern measurement very important issue is wind comfort at pedestrian level. It is connected to the wind speed techniques allow to perform more exact measurements of wind characteristics in atmospheric which can accelerate significantly in flow contractions (such as those between buildings). boundary layer (ABL). Both, the results of measurements in microscale (less than 2 km), as The topic of pedestrian comfort is also connected to dispersion of snow during winters, or well as in macroscale (synoptic scale, several hundreds of km) are used in wind engineering. dispersion of smoke, gases and pollutants all over the year, or to the natural ventilation of Description of the wind field as the non-Gaussian process is applied to downbursts and is the given area. The pollutant dispersion could be analysed in the scale of the building and currently being developed. Numerical methods of simulation of Gaussian and non-Gaussian its nearest surroundings (for example smoke from the chimney on the building roof) or in type processes are being expanded. Another problem is connected to the correct implementa- the scale of the district or even the whole city. Nowadays, CFD simulations play the major tion of ABL to wind tunnel measurements and to CFD simulations. Whereas, the first matter is role in investigations of pedestrians wind comfort and pollutant dispersion. rather well known (but still needs investigation), the second is currently under strong interest of Recently, mainly in journal papers, issues connected to road and rail aerodynamics researchers. The proper representation of ABL, both in wind tunnels and in numerical domain, arose. This topic concerns optimization of the aerodynamic shape of road and rail vehicles. results in simulations with the conditions closer to the reality. Another topic relates to high-speed trains (introduced in many countries in last decade), Bridges, as one of the most spectacular structures, and moreover – structures which eve- their shape, but also their impact on the passengers and the vicinity. More frequently, some ry year are designed with larger spans, and for which wind action could be a dimensioning papers about coupling between vibrations of the structure (for example of the bridge), load, are under continuous attention of wind engineers. Different models of flatter and traffic and wind action were published. These problems can be investigated theoretically or buffeting load are developed. Full-scale and wind tunnel results, as well as CFD calculations with use of numerical methods, or experimentally. The possibility of the freight railway (sometimes all three experiments together) were presented for various cable-stayed bridges, wagons to roll-over in strong winds was also the matter of interest in recent papers. suspension bridges, footbridges, etc. Optimization of a bridge deck was also investigated. Another subject connected with cities and urban planning is an interference phenome- Many papers dealt with bluff body aerodynamics. Wind tunnel tests concerned flow non. It could be interference between high-rise buildings in different configurations, but around circular, square, rectangular 2D cross-sections as well as 3D prisms of different also between circular hangers of the bridge placed one by one. The influence of the high- cross-sections. Several papers considered bridge cables of circular cross-section, galloping rise building on the roof of the medium-rise building placed nearby, was also the point of phenomena of slender elements, etc. The low-rise and medium-rise buildings, which shapes interest of some researchers. Sometimes, the effect of the windward structure on the leeward are predominantly rectangular or square, were also included in that topic. Various structure is called shielding effect. investigations such as measurements of wind field around buildings, pressures on the outer In the civil engineering structures, the group of slender vertical objects containing: surfaces or wind impact on claddings were performed. towers, chimneys, masts, lattice towers and cranes was distinguished. Different aspects of Large emphasis was also put on extreme winds, like: cyclones, typhoons, tropical wind loads, and different aerodynamic phenomena which appear for these objects, were storms and tornadoes. Modelling of such extreme wind events concerned mainly down- examined in full-scale, model scale or numerically. bursts, which precede thunderstorms, and also tornadoes in relation to their impact to the Other engineering structures were grouped as uncommon structures. Papers in this engineering structures. Nowadays, it is possible to model tornadoes in model scale (see group dealt with large structures like domes of various curves, tanks and siloes, cooling WindEEE) as well as in CFD. There were also presented some data from full-scale towers, pyramids, monument brick structures, membrane structures like umbrellas, monitoring of engineering structures, mainly of high-rise buildings during extreme wind inflatable structures, etc. Wind action was also analysed for smaller objects like road signs, events. Another very important issues are: wind hazard assessment and wind vulnerability traffic lights structures, lighting poles, scaffoldings, cyclone shelters, road windshields, air- of structures. These topics are, in many regions of the world, crucial to local people and to cooler condensers or for uncommon vehicles like helicopters or air-cushion vehicles. The strength of structures placed there. analyses were sometimes performed in full-scale, but more frequently in model scale in Many papers and conference presentations concerned roofs of various shapes. For the wind tunnels or with use of CFD. basic rectangular shapes, pressure distribution was investigated, sometimes with respect to Four groups of other structures described a few times in papers and presentations were so-called conical vortices – vortices which cause large suction on the roof, close to its edge. distinguished. They are tunnels, solar panels, porous structures and transmission lines. Surface pressures and the influence of parapets or attics on the flow over the roof were also Different experiments with road or rail tunnels were carried out, they included fire considered. Different shapes of rectangular roofs, for example stepped roofs, were checked propagation, car exhaust propagation, ventilation, etc. Solar panels are another green source in wind tunnels, full scale or in CFD. Practical problems like different kinds of linings, of energy beside wind farms. Optimization of pitch angle of solar collectors, their green roofs with gardens on the top of high-rise buildings, etc. were analysed. Large span localization on large span-roofs and spacing between collectors, or wind conditions in roofs over halls or stadiums were measured and also calculated in CFD. 46 Tomasz Lipecki, Paulina Jamińska terrains under solar farms, etc., were the main subjects of interest in this topic. Porous structures are mostly windbreakers placed along roads. The flow through such objects is different than in case of solid ones, and so the wind load is also different. Recently, CFD simulations also addressed this problem. Yet another group of structures are transmission lines and their supporting structures. Dynamic wind action and galloping of lines were main issues of investigations in this topic. Another part of wind engineering experiments describes flow over complex terrains. Mainly local changes in terrain topography such hills, edges, slopes and valleys were considered (usually investigated with use of CFD simulations). The main results obtained from such tests were wind speed multipliers. Codification of wind loads is still under elaboration. Calculations carried out according to several standards often give significantly different results. Of course, it is mainly caused by local wind environment and different statistical tools used to describe wind characteristics. There are continuous works on improvements of the wind load description. The impact of wind on forests, vegetations, single trees and orchards was also taken under consideration. This issue is important mainly for windy places around the world with an intensive agriculture. Respective representation of trees was usually examined in model tests or CFD simulation. Damping (connected to structures and wind action) was another subject investigated by the researchers. Model tests give reasonable answer how dynamic properties of bridges, high- rise buildings or other slender structures would change when dampers are assembled to the structure. In many places around the world, damping of the structure’s response to wind action connected with seismic action is one of the most important problems faced by civil engineers. Damping of structures is accompanied by another interesting question – how people in high-rise building will react on building vibrations? Full-scale tests of such comfort were performed in high-rise buildings or in special vibrating chambers (where real conditions are simulated). The response of the human body to vibrations was also examined. The internal wind comfort connected with thermal comfort and ventilation are another issues for building occupants. Environmental actions combined with wind action were also often investigated. This could be wind driven-rain and its impact on buildings. Rivulet or rivulets can form on the surfaces of inclined cables of masts or cable-stayed bridges. They change significantly the aerodynamic properties of the cross-section of the cable and make them susceptible to galloping. Recently, also CFD studies considered this problem. Another environmental action is caused by wind and snow. Accumulation of snow in windy conditions and transport of accumulated snow caused by wind action in terrain or on roofs (so-called snowdrifts) were widely examined by full-scale tests, model tests and CFD simulations. Yet another issue was ice load and ice accretion. Ice storms are relatively rare, but ice accretion on lattice structures, transmission lines or cables can cause dangerous behaviour of the structures and even lead to collapse. Windborne flying debris are another matter which was considered more frequently. Hurricanes, cyclones, tornadoes, and even strong (not extreme winds), can raise parts of elements or whole small elements from the ground and carry them. They can strike buildings and destroy their façades. This problem was studied in full-scale, and recently also in wind tunnels and with use of CFD. The relatively new issue for wind engineers is sport aerodynamics. Various experiments on soccer balls, cyclists, ski jumpers or downhill runners were performed. More money is invested in sports, so the need of new investigations also appears. Sail aerodynamic was also considered. Issues of contemporary wind engineering and aerodynamics ... 47 terrains under solar farms, etc., were the main subjects of interest in this topic. Porous There are always many papers and conference articles about theoretical development structures are mostly windbreakers placed along roads. The flow through such objects is of the given problem. Recently, mainly CFD development is theoretically described, and different than in case of solid ones, and so the wind load is also different. Recently, CFD concerns governing equations, methods of solutions or grid improvements in simulations. simulations also addressed this problem. Yet another group of structures are transmission Systematically, the reviews of achievements of wind engineering or presentations of the new lines and their supporting structures. Dynamic wind action and galloping of lines were main facilities for wind study, or new measurement techniques appeared. issues of investigations in this topic. Another part of wind engineering experiments describes flow over complex terrains. 5. Conclusions Mainly local changes in terrain topography such hills, edges, slopes and valleys were considered (usually investigated with use of CFD simulations). The main results obtained This paper gives a short description of the bases of wind engineering and aerodynam- from such tests were wind speed multipliers. ics of structures. Wind field characteristics, the flow around different bodies, governing Codification of wind loads is still under elaboration. Calculations carried out accord- equations and aeroelastic phenomena are also shortly explained. Three methods of ing to several standards often give significantly different results. Of course, it is mainly investigations are described: full-scale tests, wind tunnel tests and CFD simulations. Finally, caused by local wind environment and different statistical tools used to describe wind the review of the contemporary topics considered in the wind engineering is given. The characteristics. There are continuous works on improvements of the wind load description. number of published papers and given presentations during conferences is an indicator of The impact of wind on forests, vegetations, single trees and orchards was also taken the significance of the wind engineering topic. under consideration. This issue is important mainly for windy places around the world with It seems that CFD techniques are in constant development. The computer power rises, an intensive agriculture. Respective representation of trees was usually examined in model new modelling methods appear and there are more and more case studies well validated tests or CFD simulation. with model or full-scale tests. More advanced CFD techniques like LES, DES or unsteady Damping (connected to structures and wind action) was another subject investigated by RANS give better results (better validation) of many wind engineering problems. Also full- the researchers. Model tests give reasonable answer how dynamic properties of bridges, high- scale test are on rise because of new possibilities and more common monitoring of large rise buildings or other slender structures would change when dampers are assembled to the structures. It seems that wind tunnel tests will remain on the same level as previously or structure. In many places around the world, damping of the structure’s response to wind action their number will also rise. The major argument for this is that the measurement techniques connected with seismic action is one of the most important problems faced by civil engineers. in wind tunnel test are more diverse nowadays (e.g. PIV, LDA, etc.) and give more exact Damping of structures is accompanied by another interesting question – how people in results. The necessity of CFD validation makes tunnel tests still a basic experimental tool in high-rise building will react on building vibrations? Full-scale tests of such comfort were wind engineering. New wind facilities, like WOW or WindEEE, open the new perspectives performed in high-rise buildings or in special vibrating chambers (where real conditions are for scientists. Moreover, the tendencies to build longer and higher, and to design structures simulated). The response of the human body to vibrations was also examined. The internal of unexpected and futuristic shapes will definitely ensure the work to wind engineers. wind comfort connected with thermal comfort and ventilation are another issues for building The very up-to-date problem is the risk evaluation of extreme wind events and the occupants. assessment of hazards connected to it. For engineers, the main purpose is to design Environmental actions combined with wind action were also often investigated. This structures resistant to even extreme winds. Such issues, like windborne flying debris or the could be wind driven-rain and its impact on buildings. Rivulet or rivulets can form on the surfaces of inclined cables of masts or cable-stayed bridges. They change significantly the description of non-Gaussian processes, associated with extreme winds, must be considered. aerodynamic properties of the cross-section of the cable and make them susceptible to The issue of green energy would develop more intensively in the next years, due to galloping. Recently, also CFD studies considered this problem. Another environmental climate changes. In developed countries – there is a necessity to reduce various pollutions, action is caused by wind and snow. Accumulation of snow in windy conditions and in more poor countries – there is a need for cheaper energy. That is why different matters transport of accumulated snow caused by wind action in terrain or on roofs (so-called associated with wind and solar energy will be investigated even more frequently in the near snowdrifts) were widely examined by full-scale tests, model tests and CFD simulations. Yet future. another issue was ice load and ice accretion. Ice storms are relatively rare, but ice accretion on lattice structures, transmission lines or cables can cause dangerous behaviour of the References structures and even lead to collapse. Windborne flying debris are another matter which was considered more frequently. 1. Afshin M., Sohankar A., Manshadi M.D., Esfeh M.K. An experimental study on the evaluation Hurricanes, cyclones, tornadoes, and even strong (not extreme winds), can raise parts of of natural ventilation performance of a two-sided wind-catcher for various wind angles. Re- elements or whole small elements from the ground and carry them. They can strike newable Energy 85 (2016) 1068–1078. buildings and destroy their façades. This problem was studied in full-scale, and recently also 2. AIJ-RBL-1996. Recommendations for Loads on Buildings. Architecture Institute of Japan, 2004. in wind tunnels and with use of CFD. 3. Aly A.M. Pressure integration technique for predicting wind-induced response in high-rise buildings. Alexandria Engineering Journal 52 (2013) 717–731. The relatively new issue for wind engineers is sport aerodynamics. Various experi- 4. Aly A.M., Bitsuamlak G.T., Chowdhury A.G. Full-scale aerodynamic testing of a loose ments on soccer balls, cyclists, ski jumpers or downhill runners were performed. More concrete roof paver system. Engineering Structures 44 (2012) 260–270. money is invested in sports, so the need of new investigations also appears. Sail aerodynam- 5. AS/NZS – Structural design actions – Part 2: Wind actions. Australian/New Zealand Standard. ic was also considered. 48 Tomasz Lipecki, Paulina Jamińska

6. ASCE. Minimum design loads for buildings and other structures. Revision of ASCE 7-98, Reston, Virginia, USA, 2003. 7. Baheru T., Chowdhury A.G., Bitsuamlak G., Masters F.J., Tokay A. Simulation of wind-driven rain associated with tropical storms and hurricanes using the 12-fan Wall of Wind. Building and Environment 76 (2014) 18–29. 8. Bartoli G., Cluni F., Gusella V., Procino L. Dynamics of cable under wind action: Wind tunnel experimental analysis. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 94 (2006) 259–273. 9. Bashor R., Bobby S., Kijewski-Correa T., Kareem A. Full-scale performance evaluation of tall buildings under wind. Journal of Wind Engineering Industrial Aerodynamics 104–106 (2012) 88–97. 10. Bęc J., Lipecki T., Błazik-Borowa E. Pomiary drgań aeroelastycznych modeli masztów z odciągami w tunelu aerodynamicznym. Budownictwo i Architektura 12(1) (2013) 211–218. 11. Bęc J., Lipecki T., Błazik-Borowa E. Research on wind structure in the wind tunnel of Wind Engineering Laboratory of Cracow University of Technology. Journal of Physics: Conference Series 318 (2011) 072003, doi: 10.1088/1742-6596/318/7/072003. 12. Bell J.R., Burton D., Thompson M.C., Herbst A.H., Sheridan J. Flow topology and unsteady features of the wake of a generic high-speed train. Journal of Fluids and Structures61 (2016) 168–183. 13. Błazik-Borowa E., Bęc J., Nowicki T., Lipecki T., Szulej J. The measurements of parameters for 2-D flow around square and rectangular cylinders at the ground. Archives of Civil and Mechanical Engineering, XI(3) (2011) 533–551. 14. Blocken B. 50 years of Computational Wind Engineering: Past, present and future. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 129 (2014) 69–102. 15. Blocken B., Stathopoulos T., van Beeck J.P.A.J. Pedestrian-level wind conditions around buildings: Review of wind-tunnel and CFD techniques and their accuracy for wind comfort assessment. Building and Environment 100 (2016) 50–81. 16. Carpentieri M., Robin A.G. Influence of urban morphology on air flow over building arrays. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 145 (2015) 61–74. 17. Cermak J.E. Application of fluid mechanics to wind engineering. A Freeman Scholar Lecture. ASME Journal of Fluids Engineering 97(1) (1975) 9–38. 18. Cluni F., Gusella V., Spence S.M.J., Bartoli G. Wind action on regular and irregular tall buildings: Higher order moment statistical analysis by HFFB and SMPSS measurements. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 99 (2011) 682–690. 19. CNS – Load code for the design of building structures, China National Standard. 20. Cochran L.S., Cermak J.E. Full-and model-scale cladding pressures on the Texas Tech University experimental building. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 43(1–3) (1992) 1589–1600. 21. Dalgliesh W.A. Comparison of model/full-scale wind pressures on a high-rise building. Journal of Industrial Aerodynamics 1 (1975) 55–66. 22. Dalgliesh W.A., Cooper K.R., Templin J.T. Comparison of model and full-scale accelerations of a high–rise building. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 13 (1983) 217–228. 23. Davenport A.G. Rationale for determining design wind velocities. ASCE Journal of the Structural Division 86(5) (1960) 39–68. 24. Davenport A.G. The relationship of wind structure to wind loading. Proc. 1st Conference on Wind Effects on Building and Structures, National Physical Laboratory, Teddington, England, 1965, 53–102. 25. Domínguez D., Gonzalo J., López D. A wind speed profile measurement method based on free bubble tracking in the lower atmosphere. Flow Measurement and Instrumentation 34 (2013) 134–141. 26. Elsharawy M., Galal K., Stathopoulos T. Torsional and shear wind loads on flat-roofed buildings. Engineering Structures 84 (2015) 313–324. Issues of contemporary wind engineering and aerodynamics ... 49

6. ASCE. Minimum design loads for buildings and other structures. Revision of ASCE 7-98, 27. Endo M., Bienkiewicz B., Ham H.J. Wind-tunnel investigation of point pressure on TTU test Reston, Virginia, USA, 2003. building. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 94(7) (2006) 553–578. 7. Baheru T., Chowdhury A.G., Bitsuamlak G., Masters F.J., Tokay A. Simulation of wind-driven 28. Eurocode 1: Actions on structures – Part 1-4: General actions – Wind actions. (polish version: rain associated with tropical storms and hurricanes using the 12-fan Wall of Wind. Building PN–EN 1991–1–4). PKN, Warsaw, 2008. and Environment 76 (2014) 18–29. 29. Franke, J., Hellsten, A., Schlünzen, H., Carissimo, B. (Eds.). Best practice guideline for the 8. Bartoli G., Cluni F., Gusella V., Procino L. Dynamics of cable under wind action: Wind tunnel CFD simulation of flows in the urban environment. COST Office Brussels, 2007. experimental analysis. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 94 (2006) 30. Franke, J., Hellsten, A., Schlünzen, H., Carissimo, B. The COST 732 best practice guideline 259–273. for CFD simulation of flows in the urban environment – A summary. International Journal of 9. Bashor R., Bobby S., Kijewski-Correa T., Kareem A. Full-scale performance evaluation of tall Environmental Pollution 44(1-4) (2011) 419–427. buildings under wind. Journal of Wind Engineering Industrial Aerodynamics 104–106 (2012) 31. Fu J.Y., Wu J.R., Xu A., Li Q.S., Xiao Y.Q. Full-scale measurements of wind effects on 88–97. Guangzhou West Tower. Engineering Structures 35 (2012) 120–139. 10. Bęc J., Lipecki T., Błazik-Borowa E. Pomiary drgań aeroelastycznych modeli masztów 32. Goliger A.M., Milford R.V. Sensitivity of the CAARC standard building model to geometric z odciągami w tunelu aerodynamicznym. Budownictwo i Architektura 12(1) (2013) 211–218. scale and turbulence. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 31(1) (1988) 11. Bęc J., Lipecki T., Błazik-Borowa E. Research on wind structure in the wind tunnel of Wind 105–123. Engineering Laboratory of Cracow University of Technology. Journal of Physics: Conference 33. Gonzalo J., Domínguez D., López D., Fernández J. Lighter-than-air particle velocimetry for wind Series 318 (2011) 072003, doi: 10.1088/1742-6596/318/7/072003. speed profile measurement. Renewable and Sustainable Energy Reviews 33 (2014) 323–332. 12. Bell J.R., Burton D., Thompson M.C., Herbst A.H., Sheridan J. Flow topology and unsteady 34. Guo Y.L., Kareem A., Ni Y.Q., Liao W.Y. Performance evaluation of Canton Tower under features of the wake of a generic high-speed train. Journal of Fluids and Structures61 (2016) winds based on full-scale data. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 168–183. 104–106 (2012) 116–128. 13. Błazik-Borowa E., Bęc J., Nowicki T., Lipecki T., Szulej J. The measurements of parameters 35. Habte F., Mooneghi M.A, Chowdhury A.G., Irwin P. Full-scale testing to evaluate the for 2-D flow around square and rectangular cylinders at the ground. Archives of Civil and performance of standing seam metal roofs under simulated wind loading. Engineering Struc- Mechanical Engineering, XI(3) (2011) 533–551. tures 105(15) (2015) 231–248. 14. Blocken B. 50 years of Computational Wind Engineering: Past, present and future. Journal of 36. He Y.C., Chan P.W., Li Q.C. Wind characteristics over different terrains. Journal of Wind Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 129 (2014) 69–102. Engineering and Industrial Aerodynamics 120 (2013) 51–69. 15. Blocken B., Stathopoulos T., van Beeck J.P.A.J. Pedestrian-level wind conditions around 37. Hu G., Tse K.T., Kwok K.C.S., Zhang Y. Large eddy simulation of flow around an inclined buildings: Review of wind-tunnel and CFD techniques and their accuracy for wind comfort finite square cylinder. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 146 (2015) assessment. Building and Environment 100 (2016) 50–81. 172–184. 16. Carpentieri M., Robin A.G. Influence of urban morphology on air flow over building arrays. 38. Huang S.H., Li Q.S., Xu S. Numerical evaluation of wind effects on a tall steel building by Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 145 (2015) 61–74. CFD. Journal of Constructional Steel Research 63 (2007) 612–627. 17. Cermak J.E. Application of fluid mechanics to wind engineering. A Freeman Scholar Lecture. 39. ISO 4354:2009. Wind actions on structures. ISO, 2009. ASME Journal of Fluids Engineering 97(1) (1975) 9–38. 40. Jin Z., Dong Q., Yang Z. A stereoscopic PIV study of the effect of rime ice on the vortex 18. Cluni F., Gusella V., Spence S.M.J., Bartoli G. Wind action on regular and irregular tall structures in the wake of a wind turbine. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerody- buildings: Higher order moment statistical analysis by HFFB and SMPSS measurements. namics 134 (2014) 139–148. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 99 (2011) 682–690. 41. Kim J.H., Han Y.O. Experimental investigation of wake structure around an external rear view 19. CNS – Load code for the design of building structures, China National Standard. mirror of a passenger car. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 99 20. Cochran L.S., Cermak J.E. Full-and model-scale cladding pressures on the Texas Tech (2011) 1197–1206. University experimental building. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 42. Kim W., Tamura Y., Yoshida A. Interference effects on aerodynamic wind forces between two 43(1–3) (1992) 1589–1600. buildings. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 147 (2015) 186–201. 21. Dalgliesh W.A. Comparison of model/full-scale wind pressures on a high-rise building. 43. Letchford C.W., Lander D.C., Case P., Dyson A., Amitay M. Bio-mimicry inspired tall Journal of Industrial Aerodynamics 1 (1975) 55–66. buildings: The response of cactus-like buildings to wind action at Reynolds Number of 104. 22. Dalgliesh W.A., Cooper K.R., Templin J.T. Comparison of model and full-scale accelerations Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 150 (2016) 22–30. of a high–rise building. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 13 (1983) 44. Li Q.S., Wu J.R. Time-frequency analysis of typhoon effects on a 79-storey tall building. 217–228. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 95 (2007) 1648–1666. 23. Davenport A.G. Rationale for determining design wind velocities. ASCE Journal of the 45. Li Q.S., Xiao Y.Q., Wong C.K. Full-scale monitoring of typhoon effects on super tall Structural Division 86(5) (1960) 39–68. buildings. Journal of Fluids and Structures 20 (2005) 697–717. 24. Davenport A.G. The relationship of wind structure to wind loading. Proc. 1st Conference on 46. Li Q.S., Xiao Y.Q., Wu J.R., Fu J.Y., Li Z.N. Typhoon effects on super-tall buildings. Journal Wind Effects on Building and Structures, National Physical Laboratory, Teddington, England, of Sound and Vibration 313 (2008) 581–602. 1965, 53–102. 47. Li Q.S., Zhi L., Hu F. Boundary layer wind structure from observations on a 325 m tower. 25. Domínguez D., Gonzalo J., López D. A wind speed profile measurement method based on free Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 98 (2010) 818–832. bubble tracking in the lower atmosphere. Flow Measurement and Instrumentation 34 (2013) 48. Lipecki T. Relationship between wind pressure on surface of rectangular prisms and 134–141. atmospheric boundary layer parameters. Technical Transactions 12(2–B) (2015) 91–105. 26. Elsharawy M., Galal K., Stathopoulos T. Torsional and shear wind loads on flat-roofed 49. Lipecki T., Jamińska P. Influence of wind structure and aspect ratio of circular cylinders on buildings. Engineering Structures 84 (2015) 313–324. mean wind pressure coefficient. TASK QUARTERLY 16(3–4) (2012) 203–218. 50 Tomasz Lipecki, Paulina Jamińska

50. Melbourne W.H. Comparison of measurements on the CAARC standard tall building model in simulated model wind flows. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 6(1–2) (1980) 73–88. 51. Oguma Y., Yamagata T., Fujisawa N. Measurement of sound source distribution around a circular cylinder in a uniform flow by combined particle image velocimetry and microphone technique. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 118 (2013) 1–11. 52. Ozmen Y., Baydar E., van Beeck J.P.A.J. Wind flow over the low-rise building models with gabled roofs having different pitch angles. Building and Environment 95 (2016) 63–74. 53. Pozzuoli C., Bartoli G., Peil U., Clobes M. Serviceability wind risk assessment of tall buildings including aeroelastic effects. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 123 (2013) 325–338. 54. Refan M., Hangan H. Characterization of tornado-like flow fields in a new model scale wind testing chamber. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 151 (2016) 107–121. 55. Refan M., Hangan H., Wurman J. Reproducing tornadoes in laboratory using proper scaling. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 135 (2014) 136–148. 56. Richards P.J., Hoxey R.P. Pressures on a cubic building: Part 1. Full-scale results. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 102 (2012) 72–86. 57. Richards P.J., Hoxey R.P. Wind loads on the roof of a 6 m cube. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 96 (2008) 984–993. 58. Richardson G.M., Hoxey R.P., Robertson A.P., Short J.L. The Silsoe Structures Building: Comparisons of pressures measured at full scale and in two wind tunnels. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 72 (1997) 187–197. 59. Rizzo F. Wind tunnel tests on hyperbolic paraboloid roofs with elliptical plane shapes. Engineering Structures 45 (2012) 536–558. 60. Roth M. Review of atmospheric turbulence over cities. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 126 (2000) 941–990. 61. Šarkić A., Höffer R., Brčić S. Numerical simulations and experimental validations of force coefficients and flutter derivatives of a bridge deck. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 144 (2015) 172–182. 62. Shiau B.S., Chen B.Y. Observation on wind turbulence characteristics and velocity spectra near the ground at the coastal region. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynam- ics 90 (2002) 1671–1681. 63. Tamura Y., Iwatani Y., Hibi K., Suda K., Nakamura O., Maruyama T., Ishibashi R. Profiles of mean wind speeds and vertical turbulence intensities measured at sea shore and two in land sites using Doppler sodars. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 95 (2007) 411–427. 64. Tamura Y., Suda K., Sasaki A., Miyashita K., Iwatani Y., Maruyama T., Hibi K., Ishibash R. Simultaneous wind measurements over two sites using Doppler sodars. Journal of Wind Engi- neering and Industrial Aerodynamics 89 (2001) 1647–1656. 65. Tamura, T., Nozawa, K., Kondo, K. AIJ guide for numerical prediction of wind loads on buildings. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 96 (10-11) (2008) 1974– 1984. 66. Taylor Z.J., Gurka R., Kopp G.A. Effects of leading edge geometry on the vortex shedding frequency of an elongated bluff body at high Reynolds numbers. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 128 (2014) 66–75. 67. Tieleman H.W. Strong wind observations in the atmospheric surface layer. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 96 (2008) 41–77. 68. Tominaga, Y., Mochida, A., Yoshie, R., Kataoka, H., Nozu, T., Yoshikawa, M., Shirasawa, T. AIJ guidelines for practical applications of CFD to pedestrian wind environment around buildings. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 96(10-11) (2008) 1749–1761. 69. Yi. J, Li Q.S. Wind tunnel and full-scale study of wind effects on a super-tall building. Journal of Fluids and Structures 58 (2015) 236–253. Issues of contemporary wind engineering and aerodynamics ... 51

50. Melbourne W.H. Comparison of measurements on the CAARC standard tall building model in 70. Yoshie, R., Mochida, A., Tominaga, Y., Kataoka, H., Harimoto, K., Nozu, T., Shirasawa, T. simulated model wind flows. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 6(1–2) Cooperative project for CFD prediction of pedestrian wind environment in the Architectural (1980) 73–88. Institute of Japan. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 95(9-11) (2007) 51. Oguma Y., Yamagata T., Fujisawa N. Measurement of sound source distribution around a 1551–1578. circular cylinder in a uniform flow by combined particle image velocimetry and microphone technique. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 118 (2013) 1–11. 52. Ozmen Y., Baydar E., van Beeck J.P.A.J. Wind flow over the low-rise building models with gabled roofs having different pitch angles. Building and Environment 95 (2016) 63–74. 53. Pozzuoli C., Bartoli G., Peil U., Clobes M. Serviceability wind risk assessment of tall buildings Zagadnienia współczesnej inżynierii wiatrowej including aeroelastic effects. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 123 (2013) 325–338. i aerodynamiki budowli 54. Refan M., Hangan H. Characterization of tornado-like flow fields in a new model scale wind testing chamber. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 151 (2016) 107–121. Tomasz Lipecki, Paulina Jamińska 55. Refan M., Hangan H., Wurman J. Reproducing tornadoes in laboratory using proper scaling. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 135 (2014) 136–148. Katedra Mechaniki Budowli, Wydział Budownictwa i Architektury, Politechnika Lubelska, 56. Richards P.J., Hoxey R.P. Pressures on a cubic building: Part 1. Full-scale results. Journal of e-mail: [email protected], [email protected] Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 102 (2012) 72–86. 57. Richards P.J., Hoxey R.P. Wind loads on the roof of a 6 m cube. Journal of Wind Engineering Streszczenie: W artykule opisane zostały aktualne zagadnienia, jakimi zajmuje się and Industrial Aerodynamics 96 (2008) 984–993. inżynieria wiatrowa i aerodynamika budowli. Skoncentrowano się głównie na aspektach 58. Richardson G.M., Hoxey R.P., Robertson A.P., Short J.L. The Silsoe Structures Building: związanych z aerodynamiką budowli. W pracy krótko przedstawiono podstawy teoretyczne, Comparisons of pressures measured at full scale and in two wind tunnels. Journal of Wind które należy uwzględnić przy przyjmowaniu obciążenia wiatrem. Następnie opisano trzy Engineering and Industrial Aerodynamics 72 (1997) 187–197. różne instrumenty badawcze służące do opisu obciążenia wiatrem: badania w skali 59. Rizzo F. Wind tunnel tests on hyperbolic paraboloid roofs with elliptical plane shapes. rzeczywistej, badania w tunelach aerodynamicznych oraz symulacje komputerowe. Na Engineering Structures 45 (2012) 536–558. zakończenie dokonano przeglądu aktualnych problemów podejmowanych przez inżynierię 60. Roth M. Review of atmospheric turbulence over cities. Quarterly Journal of the Royal wiatrową. Meteorological Society 126 (2000) 941–990. 61. Šarkić A., Höffer R., Brčić S. Numerical simulations and experimental validations of force Słowa kluczowe: inżynieria wiatrowa, aerodynamika, badania w tunelach aerodyna- coefficients and flutter derivatives of a bridge deck. Journal of Wind Engineering and Industrial micznych, Obliczeniowa Mechanika Płynów, badania w skali rzeczywistej. Aerodynamics 144 (2015) 172–182. 62. Shiau B.S., Chen B.Y. Observation on wind turbulence characteristics and velocity spectra near the ground at the coastal region. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynam- ics 90 (2002) 1671–1681. 63. Tamura Y., Iwatani Y., Hibi K., Suda K., Nakamura O., Maruyama T., Ishibashi R. Profiles of mean wind speeds and vertical turbulence intensities measured at sea shore and two in land sites using Doppler sodars. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 95 (2007) 411–427. 64. Tamura Y., Suda K., Sasaki A., Miyashita K., Iwatani Y., Maruyama T., Hibi K., Ishibash R. Simultaneous wind measurements over two sites using Doppler sodars. Journal of Wind Engi- neering and Industrial Aerodynamics 89 (2001) 1647–1656. 65. Tamura, T., Nozawa, K., Kondo, K. AIJ guide for numerical prediction of wind loads on buildings. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 96 (10-11) (2008) 1974– 1984. 66. Taylor Z.J., Gurka R., Kopp G.A. Effects of leading edge geometry on the vortex shedding frequency of an elongated bluff body at high Reynolds numbers. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 128 (2014) 66–75. 67. Tieleman H.W. Strong wind observations in the atmospheric surface layer. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 96 (2008) 41–77. 68. Tominaga, Y., Mochida, A., Yoshie, R., Kataoka, H., Nozu, T., Yoshikawa, M., Shirasawa, T. AIJ guidelines for practical applications of CFD to pedestrian wind environment around buildings. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 96(10-11) (2008) 1749–1761. 69. Yi. J, Li Q.S. Wind tunnel and full-scale study of wind effects on a super-tall building. Journal of Fluids and Structures 58 (2015) 236–253.

Budownictwo i Architektura 15(3) (2016) 53-62

Approaches to Teaching Building Materials and Technologies for Energy-Efficient Sustainable Construction

Nataliya Lushnikova

Department of Architecture and Environmental Design, National University of Water and Environmental Engineering, Rivne, Ukraine, e–mail: [email protected]

Abstract: There are highlighted the peculiarities of teaching subjects “Building Mate- rials in Energy-efficient Construction” and “Technologies in Sustainable Construction” developed in English within the scope of Civil Engineering Master Studies curricula „Building ecological Europe”. Basic objectives, teaching methods, content of the lectures and course project, and course results are considered. Keywords: building material, energy efficiency, sustainability, construction technology, life-cycle assessment.

1. Introduction

Energy efficiency and comfort are two new critical expectations of owners of modern buildings [1]. At the same time 42% of the total annual impact of buildings attributes to high-energy use and 30% to materials use in USA and other developed countries [2]. Energy efficiency is a key aspect of sustainability of a building. The purpose of the article is the revealing the main approaches and issues of the subjects “Building Materials in Energy-efficient Construction” and “Technologies in Sustainable Construction”, developed within the Civil Engineering Master Studies curricula „Building ecological Europe” at the Faculty of Civil Engineering and Architecture in Lublin University of Technology. The scope of the article covers basic objectives, teaching methods, content of the lectures and course results. Both of the subjects have lectures on different types, properties of energy-efficient building materials and their application in technologies of sustainable construction. Course project permits to accumulate and analyze the data given in lectures to make practical solution for construction assemblies of a building. In the end of the subjects, there is scheduled exam on lectures and assessment of course project. Total number of class hours is 60, among them lectures take 30 hours, course project takes 30 hours. There are similar subjects in the Universities of Technologies in Poland for Civil En- gineering students of the second stage of studying, most of them are taught in Polish. There are for instance, “Materials in energy-saving construction” in Opole University of Technology [3] or “Ecological technologies in building industry” in Rzeszów University of Technology [4]. There are specializations at Master level on Sustainable Construction (Warsaw University of Technology) [5], Energy-efficient Construction (West Pomeranian University of Technology Szczecin) [6], Energy Saving Construction (University of 54 Nataliya Lushnikova

Warmia and Mazury in Olsztyn) [7] and some other universities of Poland as well as in other countries of EU. For instance, there is one-year full-time course on Sustainable Building Technology (MSc) in University of Nottingham (UK) [8] or two-year Energy- efficient and Environmental Building Design – Master's Program in Lund University (Sweden) [9]. The International Erasmus+ programs on energy-efficient and sustainable construction due to involving students from different countries, permit to give the idea about the most important issues of modern construction and suggest rational decisions for the problems common for different countries and regions.

2. Subject “Building Materials in Energy-efficient Construction” 2.1. General information The main objectives of this subject are as follows:  gaining knowledge of the energy efficiency criteria for building materials;  obtaining knowledge of the types and properties of building materials for energy- efficient construction;  acquiring the ability to select rationally building materials for energy-efficient construction;  understanding possible uses of different methods and tools for estimating the energy efficiency of buildings. The prerequisites to study the subject are the knowledge of physics and chemistry of building materials and basic knowledge of the methods applied in selecting building materials for energy-saving construction. 2.2. Main issues At the start of the lecturing there are set terms applied during the studying. Term ‘energy efficiency’ to wide extent is applied to building materials and it means saving energy resources at all the stages of materials life: from extraction of raw to its disposal, in other words during their life-cycle. This means reduction of embodied energy (the total energy required to produce building material), saving operation energy during material’s performance and possibility of alternative wastes disposal (reusability, recyclability or biodegradabity of building materials). During the performance as the longest stage of building material life cycle it is expected that application of the building material will lead to improvement of thermal and moisture comfort in the building [1] and to reduction of financial expenses for the construction and performance. In terms of energy-efficient sustainable construction there are expected ecological effects as the reduction of carbon dioxide emissions and global greenhouse gases emissions. Basic criteria of suitableness of building material to energy-efficient construction are physical (mostly thermal) parameters such as specific heat capacity, thermal conductivity, and calculated, based on previous thermal resistance, thermal transmittance, thermal diffusivity and effusivity. The most important energy parameter estimated for a building is annual energy consumption. According to data of Polish Association for Sustainable Development for energy-efficient building (Energy class label B) it varies between 45 and 80 kWh/m2y; according to the data of BER (Building Energy Rating) International Energy agency (2010) it must be up to 75 (for B1), up to 100 (for B2), up to 125 (B3) kWh/m2y. To enclose different types of such materials including novel composite and advanced materials there is proposed classification according their function based on accumulated data (Tab. 1). Approaches to Teaching Building Materials and ... 55

Warmia and Mazury in Olsztyn) [7] and some other universities of Poland as well as in Table 1. Types of building materials for energy-efficient buildings (accumulated data according to [1, 10]) other countries of EU. For instance, there is one-year full-time course on Sustainable Function Materials Application Requirements Reason for using Building Technology (MSc) in University of Nottingham (UK) [8] or two-year Energy- Thermal Porous materials Layers of outer High thermal Reducing the flow of efficient and Environmental Building Design – Master's Program in Lund University insulation (static with dominance of walls, roofs, floors insulation properties; heat through the exterior (Sweden) [9]. The International Erasmus+ programs on energy-efficient and sustainable and dynamic) closed porosity, stability and long surfaces of the building; construction due to involving students from different countries, permit to give the idea fibrous materials, lifespan; fire reduction of energy about the most important issues of modern construction and suggest rational decisions for insulation value of resistance; consumption for heating the problems common for different countries and regions. still air is used lack of odor; low and air-conditioning (static) chemical activity; Advanced and ability to cope with 2. Subject “Building Materials in Energy-efficient Construction” smart materials moisture 2.1. General information Thermal Materials with Envelope structures, High thermal density, Conserving energy, for stabilization high thermal energy equipment low thermal later use; minimization The main objectives of this subject are as follows: (thermal energy density, phase diffusivity temperature fluctuations;  gaining knowledge of the energy efficiency criteria for building materials; storage) changing materials maximization output  from renewable energy obtaining knowledge of the types and properties of building materials for energy- supply source efficient construction;  Heat reflection Metal foils Layers on envelopes High radiant heat Elimination transfer of acquiring the ability to select rationally building materials for energy-efficient con- surface reflection radiant heat struction; Multi-function Multilayered Serve both for High thermal Combination in one  understanding possible uses of different methods and tools for estimating the ener- (sandwich) with thermal regulating insulation properties; material different gy efficiency of buildings. porous or fibrous and structural, stability and long functions, reduction of The prerequisites to study the subject are the knowledge of physics and chemistry of layer glazing finishing, lifespan energy and resources for building materials and basic knowledge of the methods applied in selecting building masonry, panels) translucency etc. installation process materials for energy-saving construction. Properties of thermal insulating building materials are studied according to matrix 2.2. Main issues (Tab. 2). At the start of the lecturing there are set terms applied during the studying. Term ‘energy efficiency’ to wide extent is applied to building materials and it means saving energy Table 2. Matrix of studied properties for thermal insulating building materials resources at all the stages of materials life: from extraction of raw to its disposal, in other Physical and Water vapor diffusion Compressive words during their life-cycle. This means reduction of embodied energy (the total energy mechanical Density Tensile strength resistance factor strength required to produce building material), saving operation energy during material’s properties performance and possibility of alternative wastes disposal (reusability, recyclability or Thermal Thermal Specific heat Maximum service biodegradabity of building materials). During the performance as the longest stage of and fire Reaction to fire conductivity capacity temperature building material life cycle it is expected that application of the building material will lead properties to improvement of thermal and moisture comfort in the building [1] and to reduction of Ecological Global Warming Acidification Calorific value Primary energy input financial expenses for the construction and performance. In terms of energy-efficient properties Potential (GWP) Potential (AP) sustainable construction there are expected ecological effects as the reduction of carbon dioxide emissions and global greenhouse gases emissions. Boards Batts Loose fill Caulking Basic criteria of suitableness of building material to energy-efficient construction are Form physical (mostly thermal) parameters such as specific heat capacity, thermal conductivity, of supply and calculated, based on previous thermal resistance, thermal transmittance, thermal diffusivity and effusivity. The most important energy parameter estimated for a building is annual energy consumption. According to data of Polish Association for Sustainable Development for energy-efficient building (Energy class label B) it varies between 45 and Solid wall Floor Flat roof Slope roof 80 kWh/m2y; according to the data of BER (Building Energy Rating) International Energy 2 agency (2010) it must be up to 75 (for B1), up to 100 (for B2), up to 125 (B3) kWh/m y. Application To enclose different types of such materials including novel composite and advanced materials there is proposed classification according their function based on accumulated data (Tab. 1). 56 Nataliya Lushnikova

The most common thermal insulating materials can be compared by their thickness of insulation layer required to achieve U-value 0.2 W/(m2K) (see Fig. 1) and embodied energy (from cradle to gate) (see Fig. 2). It permits to compare energy efficiency of the thermal insulating materials instantly.

Thickness of insulation, mm

Fig. 1. Thickness of insulation layer required to achieve U-value 0.2 W/(m2K), based on accumulated data

Embodied energy, MJ/kg

Fig. 2. Embodied energy (from cradle to gate) of insulation materials, based on accumulated data Approaches to Teaching Building Materials and ... 57

The most common thermal insulating materials can be compared by their thickness of There are considered widespread inorganic and organic natural and synthetic heat- insulation layer required to achieve U-value 0.2 W/(m2K) (see Fig. 1) and embodied energy insulating materials, as well as advanced heat-insulating materials (aerogel products, vacuum- (from cradle to gate) (see Fig. 2). It permits to compare energy efficiency of the thermal insulated panels). There are discussed advanced materials and techniques for energy-efficient insulating materials instantly. buildings such as dynamic and hybrid insulation. In the case of dynamic one it is possible to achieve the dual function of reducing the heat loss through walls and/or roof, whilst at the same time supplying pre-warmed air to indoor spaces (Fig. 3). Reflective insulation elements can be applied along with ordinary thermal insulating materials in hybrid systems (Fig. 4).

Fig. 3. Principle scheme of dynamic insulation, adapted from [11]

Thickness of insulation, mm

Fig. 1. Thickness of insulation layer required to achieve U-value 0.2 W/(m2K), based on accumulated data

Fig. 4. Hybrid insulation: fibreglass and reflective assembly in a wood framed wall [10]

There is also paid attention to multifunctional materials, which have both insulating and structural functions in the buildings. There are prefabricated building units like insulated blocks, metal-faced insulating sandwich panels, energy-saving smart glass systems etc.

Embodied energy, MJ/kg

Fig. 2. Embodied energy (from cradle to gate) of insulation materials, based on accumulated data 58 Nataliya Lushnikova

3. Subject “Technologies in Sustainable Construction”

Energy efficiency is an integral part of sustainability, which is a complex characteristic attributed to building materials as well as to buildings. Under ‘sustainable construction’ rather large amount of different aspects is meant. El Khouli et al. [13] suggests to consider efficient use of material and energy resources, which pose no risk to health as main criteria. According to M. Pulaski [14] sustainable material must be durable, reusable or recyclable, biodegradable, locally manufactured. 3.1. General information The main objectives of this subject are  gaining knowledge of the key aspects of sustainable construction;  obtaining knowledge of the basic technologies used in sustainable construction;  acquiring the ability to rational selection energy-efficient ecological building materials for sustainable construction;  understanding possible uses of different methods and tools for estimating the influence of buildings on the environment. The prerequisites to study the subject are basic knowledge of building physic and knowledge of properties of building materials and the methods applied in sustainable construction. 3.2. Main issues Main issues of the lectures under consideration are basic technologies applied in sustainable construction; natural local raw materials and traditional technologies; recycled and reused products in sustainable construction; advanced and smart materials and technologies in sustainable construction. At first students will be acquainted with priorities in selection of materials and technologies for sustainable construction at the phases of life cycle of a building (Tab. 3). From the point of meeting these criteria, the main discussed technologies are considered (Tab. 4). Much attention is paid to the technologies of sustainable construction based on application natural local materials (earthwork techniques, timber and straw products), composite materials (hempcrete). Application of reused products of high durability (like steel structures and reinforced concrete elements), products with recycled content (for instance masonry units) is also considered. There are discussed cellular clay block systems as lightweight energy-effective construction techniques. The smart technologies of smart glazing and photovoltaic power systems are also under consideration.

Approaches to Teaching Building Materials and ... 59

3. Subject “Technologies in Sustainable Construction” Table 3. Priority in selection of materials and technologies for sustainable construction in terms life cycle phases (adapted according to [12]) Phase Energy efficiency is an integral part of sustainability, which is a complex characteris- Criteria Priority in selection tic attributed to building materials as well as to buildings. Under ‘sustainable construction’ of life-cycle rather large amount of different aspects is meant. El Khouli et al. [13] suggests to consider Origin Natural origin/ Recycled content efficient use of material and energy resources, which pose no risk to health as main criteria. Renewable resources Raw materials from (quickly) renewable resources According to M. Pulaski [14] sustainable material must be durable, reusable or recyclable, Content No harmful substances biodegradable, locally manufactured. Raw materials Availability and spread Common availability and wide-spread resources Activities on raw materials make minimum negative 3.1. General information Environmental impact environmental impact and are safe for human health The main objectives of this subject are Minimum in energy consumption/ Energy from Energy consumption  gaining knowledge of the key aspects of sustainable construction; renewable resources  obtaining knowledge of the basic technologies used in sustainable construction; Minimum in energy consumption/ Energy from Energy consumption  acquiring the ability to rational selection energy-efficient ecological building mate- Production renewable resources rials for sustainable construction; Water consumption Low water consumption  understanding possible uses of different methods and tools for estimating the influ- Minimum solid and liquid waste generation/ Wastes with Solid waste production ence of buildings on the environment. utility value The prerequisites to study the subject are basic knowledge of building physic and Production Liquids waste production Possibility of use (e.g. for biological decomposition) knowledge of properties of building materials and the methods applied in sustainable Harmful emissions High volume of harmful emissions (CO2 and other) construction. Impacts on worker’s health Safe production 3.2. Main issues Distance and energy Low distances/ locally available materials Transport consumption Main issues of the lectures under consideration are basic technologies applied in sus- Effective methods of transport Minimum in energy consumption/ Energy from tainable construction; natural local raw materials and traditional technologies; recycled and Energy consumption reused products in sustainable construction; advanced and smart materials and technologies renewable resources in sustainable construction. At first students will be acquainted with priorities in selection of Water consumption Low water consumption Installation materials and technologies for sustainable construction at the phases of life cycle of a Solid waste production Minimum solid and liquid waste generation building (Tab. 3). Noise and dust production Minimum noise and dust generation From the point of meeting these criteria, the main discussed technologies are consid- Impacts on worker’s health Safe production ered (Tab. 4). Much attention is paid to the technologies of sustainable construction based Use and Durability Long-lasting on application natural local materials (earthwork techniques, timber and straw products), maintenance Maintenance Easy to maintain/ Low energy/water consumption composite materials (hempcrete). Application of reused products of high durability (like Materials without harmful substances/ Low emissions/ steel structures and reinforced concrete elements), products with recycled content (for Impacts on user’s health Absence of radon instance masonry units) is also considered. Use and maintenance There are discussed cellular clay block systems as lightweight energy-effective con- Impacts on outdoor Materials with optimal thermal performance environment struction techniques. The smart technologies of smart glazing and photovoltaic power Minimum in energy consumption/ Energy from systems are also under consideration. Energy consumption renewable resources Water consumption Low water consumption Decomissioning Solid waste production Minimum solid and liquid waste generation Noise and dust production Minimum noise and dust generation Influence on worker’s health Safe production Reuse Possibility of reuse Material either may be reused or is reused Recycling Possibility of recycling Material either may be recycled or is recycled Disposal Possibility of biodegradation Material with possible biological decomposition

60 Nataliya Lushnikova

Table 4. Construction technologies applied in sustainable construction discussed in lectures course based on [15-21] Basic technologies in Examples of materials and sustainable Construction technique products applied construction Timber, straw and other vegetable Traditional techniques with dominations products of hand work (framed, masonry) Natural local materials Earth: rammed earth, earth blocks and composites Masonry, monolithic earth bags (superadobe) Composites (hempcrete) Monolithic, masonry Structural elements and products made Block-container (metal) of durable materials like steel (steel frame-panel building (metal) framework, ship containers), reinforced Spatial blocks (concrete) Reused products concrete (concrete panels, tube Monolithic (panel formwork) elements etc.) Masonry units with recycled content Masonry

Masonry units made of construction and Recycled products Masonry urban wastes

Masonry walls Cellular clay block system Advanced materials precast construction (clamping ceiling) and technologies HCH system (block containing perlite) Masonry walls Windows and façade glazing in the Smart glazing Smart materials and building of different structural systems technologies Photovoltaic power systems Panels for coating the roofs and facades of different structural systems

4. Course project

The content of lectures permits student to select of energy-efficient ecological building materials for basic structural elements of assigned building, to determine thermal and energy parameters of basic structural elements; to select sustainable technological methods for construction. When given foot-plans and cross sections of model residential buildings (single-family and multiple dwelling) and region of construction, students are assigned to select type of construction technique and designing basic structural assemblies of the building: basements, walls and roof applying thermal insulation materials known from lectures. According to assignment in terms of energy efficiency the student has to calculate required thermal parameters of the assemblies and energy parameters: embodied energy for the assembly and specific heating energy of a building. The data for calculation can be obtained from the lecture notes as well as from open source database and technical specifications of the manufacturers. During studying the subjects, student is able to familiarize with open online tools for LCA of buildings depending on selected building materials (like Athena Institute software). According to the assignment student calculates the basic LCA parameters of residential or commercial building knowing total footage of the basic structural assemblies and the region of construction [22]. Within the work on the project student compare different variants and analyze the information obtained from calculations to make rational selection. Approaches to Teaching Building Materials and ... 61

Table 4. Construction technologies applied in sustainable construction discussed in lectures course based 5. Conclusions on [15-21] Basic technologies in Examples of materials and The subjects “Building Materials in Energy-efficient Construction” and “Technologies sustainable Construction technique products applied in Sustainable Construction”, developed as a part of Civil Engineering Master Studies construction curricula „Building ecological Europe” offer rather wide range of discussed issues. The Timber, straw and other vegetable Traditional techniques with dominations rational selection of the materials and technologies for energy-efficient sustainable products of hand work (framed, masonry) Natural local materials construction is of great importance at modern construction process and depends on many Earth: rammed earth, earth blocks and composites Masonry, monolithic factors at all the stages of material and building life cycle. As energy efficiency and earth bags (superadobe) sustainability become the key aspects of civil engineering development, the main issues of Composites (hempcrete) Monolithic, masonry the subjects are vital in teaching of civil engineers in “Building and Engineering Struc- Structural elements and products made Block-container (metal) tures”. of durable materials like steel (steel frame-panel building (metal) At the end of the studying the subjects, student will have knowledge of the energy framework, ship containers), reinforced Spatial blocks (concrete) Reused products concrete (concrete panels, tube efficiency criteria of building materials, on the types and properties of building materials for Monolithic (panel formwork) elements etc.) energy-efficient construction. Student will be able to select rationally building materials for Masonry units with recycled content Masonry energy-efficient construction. Student will understand possible uses of different methods and tools for estimating the energy efficiency of buildings and critically evaluate the results Masonry units made of construction and of calculations. Recycled products Masonry urban wastes He will have knowledge of the principles and criteria of sustainable construction, basic technologies and basic materials used in sustainable construction. Student is supposed Masonry walls Cellular clay block system to select building materials for sustainable construction and understand possible uses of Advanced materials precast construction (clamping ceiling) and technologies different methods and tools, including computer programs for estimating the construction’s HCH system (block containing perlite) Masonry walls influence on the environment. The student will be able to evaluate critically the results of Windows and façade glazing in the Smart glazing calculations. Smart materials and building of different structural systems technologies Photovoltaic power systems Panels for coating the roofs and facades of different structural systems Acknowledgement The paper was prepared on the basis of the subjects’ materials developed under super- 4. Course project vision of Professor of Lublin University of Technology Dr. Eng. Stanislaw Fic in co- authorship with M Sc Eng. Małgorzata Szafraniec. The content of lectures permits student to select of energy-efficient ecological building materials for basic structural elements of assigned building, to determine thermal and References energy parameters of basic structural elements; to select sustainable technological methods for construction. 1. Hall M. (Ed.) Materials for energy efficiency and thermal comfort in buildings. 1st ed. Elsevier When given foot-plans and cross sections of model residential buildings (single-family Science; Woodhead Publishing, 2010. and multiple dwelling) and region of construction, students are assigned to select type of 2. Hoseini A.H.G., Dahlan N.D., Berardi U., Hoseini A.G., Makaremia N., Hoseini M.G. construction technique and designing basic structural assemblies of the building: basements, Sustainable energy performances of green buildings: A review of current theories, implementa- walls and roof applying thermal insulation materials known from lectures. According to tions and challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews 25 (2013) 1–17. assignment in terms of energy efficiency the student has to calculate required thermal 3. Katedra Inżynierii Materiałów Budowlanych. [online] Available at: parameters of the assemblies and energy parameters: embodied energy for the assembly and http://wbia.po.opole.pl/?acc=katedra_imb [Accessed 10 March 2016]. specific heating energy of a building. The data for calculation can be obtained from the 4. Ecological technologies in building industry BB/K/Z-ZU>TEwB. The syllabus. [online] Available at: https://ects.prz.edu.pl/en/courses/view?prz_kod=BB/K/Z-ZU%3ETEwB [Ac- lecture notes as well as from open source database and technical specifications of the cessed 11 March 2016]. manufacturers. 5. Wydział Inżynierii Lądowej. Politechnika Warszawska. Studia II Stopnia (Magisterskie). During studying the subjects, student is able to familiarize with open online tools for [online] Available at: https://www.il.pw.edu.pl/index.php/pl/studia/ii-stopnia-magisterskie LCA of buildings depending on selected building materials (like Athena Institute software). [Accessed 11 March 2016]. According to the assignment student calculates the basic LCA parameters of residential or 6. Wydział Budownictwa i Architektury. Budownictwo. Studia stacjonarne (dzienne) I stopnia. commercial building knowing total footage of the basic structural assemblies and the region [online] Available at: http://www.wbia.zut.edu.pl/wbia/o-wydziale/kierunki-i-rodzaje- of construction [22]. Within the work on the project student compare different variants and studiow/budownictwo.html [Accessed 10 March 2016]. analyze the information obtained from calculations to make rational selection. 62 Nataliya Lushnikova

7. Energy Saving Construction. About study program. [online] Available at: https://usosweb.uwm.edu.pl/kontroler.php?_action=katalog2%2Fprogramy%2FpokazProgram &prg_kod=1105-SI-BE&lang=en [Accessed 13 March 2016]. 8. Sustainable Building Technology MSc. [online] Available at: https://www.nottingham.ac.uk/pgstudy/courses/architecture-and-built-environment/sustainable- building-technology-msc.aspx [Accessed 28 February 2016]. 9. Energy-efficient and Environmental Building Design – Master's Programme. [online] Available at: http://www.lunduniversity.lu.se/lubas/i-uoh-lu-TAEMB [Accessed 1 March 2016]. 10. Berge B. The ecology of building materials. 2nd ed. Oxford, Elsevier - Architectural Press, 2009, (239-252). 11. Yarbrough D.W. Specifying reflective insulation: applications for the building envelope and equipment use. Construction Canada, March (2014) 76-82. [online] Available from: http://www.kenilworth.com/publications/cc/de/201403/files/76.html [Accessed 28 February 2016]. 12. Jovanović-Popović M., Kosanović S. Selection of building materials based upon ecological characteristics: priorities in function of environmental protection, Spatium, International Re- view 20 (2009) 23-27. 13. El Khouli S., John V., Zeumer M. Sustainable Construction Techniques. Detail Green, 2015, 152 p. 14. Pulaski M.H. (Ed.) The field guide for sustainable construction, Design-Build Institute of America, 2004, 312p. 15. Elsayed M. Straw Bale is Future House Building Material. Egypt, 2000. 16. Flatau R., Cordwood construction: best practices: A log home building method using renewable resources and time honored techniques: 1. Cordwood construction resources, 2012. 17. Green Roof Handbook Conservation Technology, Inc. 10/08. [online] Available at: http://www.conservationtechnology.com/documents/GreenRoofHandbook1008.pdf. [Accessed 27 February 2016] 18. Hradil P. et al. Re-use of structural elements. Environmentally efficient recovery of building components. VTT Technology 200, 2014. [online] Available at: http://www.vtt.fi/inf/pdf/technology/2014/T200.pdf. [Accessed 27 February 2016] 19. HCH system. HCH catalog. 2013. 20. Hunter K., Kiffmeyer D. Earthbag building. The tools, tricks and techniques. New Society Publishers, 2004. 21. Rael R. Earth architecture. 2008, New York, Princeton Architectural Press, 208 p. 22. Athena. EcoCalculator for residential and commercial assemblies. [online] Available at: http://www.athenasmi.org/our-software-data/ecocalculator/ [Accessed 25 February 2016] Budownictwo i Architektura 15(3) (2016) 63-74

Przegląd technik inwentaryzacji rury szybowej

Mateusz Jabłoński, Wojciech Jaśkowski

AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, Katedra Ochrony Terenów Górniczych, Geoinformatyki i Geodezji Górniczej, e-mail: [email protected], [email protected]

Streszczenie: Nadrzędnym celem pomiarów i obserwacji wykonywanych w szybach jest zapewnienie ich bezpiecznej pracy. Wiąże się to nie tylko z określeniem aktualnego stanu technicznego szybu, lecz również z określeniem przyczyn i źródeł powstawania zmian. Wraz z rozwojem technik laserowych i cyfrowych pojawiają się nowe możliwości prowadzenia bezpiecznej inspekcji i inwentaryzacji wyrobisk szybowych. W celu zachowania sprawności szybu wykonuje się szereg prac inwentaryzacyjnych, opisanych szczegó- łowo w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 i jego załączniku (nr 4) [1,2]. Artykuł przedstawia przegląd technik pomiarowych stosowanych obecnie do pomiarów deformacji rury szybowej, ze szczególnym uwzględnieniem ciągłych telemetrycznych metod pomiarowych. Szczegółowo opisano zaprojektowany dla Kopalni Soli ‘Wieliczka’ system monitoringu wykorzystany w latach 2014 i 2015 podczas wykonywania iniekcji usztywniających i uszczelniających szyb Kościuszko. W celu uniknięcia uszkodzeń konstrukcji szybu oraz awarii krytycznych skonstruowano i zainstalowano mobilny system monitorowania stanu szybu. Wyniki jego pomiarów pozwoliły wskazywać w czasie rzeczywistym zmiany, a w razie konieczności dokonywać modyfikacji przebiegu iniekcji i w sytuacjach awaryjnych wstrzymać proces. Analiza rezultatów wykazała niewielkie deformacje obudowy szybu podczas iniekcji oraz jednoznacznie potwierdziła zalety wykonanego systemu monitoringu i nowatorskiego sposobu iniekcji wysokociśnieniowych. Słowa kluczowe: telemetria, rura szybowa, inwentaryzacja.

1. Wstęp

Szyb górniczy jest najważniejszym elementem podziemnej kopalni, to on determinuje możliwość jej działalności i sprawnej pracy. Z jego pomocą odbywa się transport ludzi, urobku i sprzętu oraz wentylacja podziemnych wyrobisk. Pozwala na szybką akcję ratun- kową oraz zapewnia szybką ewakuację zagrożonych pracowników. Jednocześnie szyb, a w szczególności rura szybowa, poddawany jest zarówno wpływom natury geologicznej, jak i antropogenicznej. Składają się na to: lokalna struktura geologiczna (ukształtowanie tekto- niki złoża), ruchy mas skalnych spowodowane eksploatacją górniczą, wody opadowe i gruntowe przenikające do szybu czy występujące wokół szybu pustki (niebezpieczne szczególnie w przypadku eksploatacji soli) [3]. W celu zapewnienia ciągłej sprawności szybu dział szybowy i mierniczy wykonują szereg czynności: od wizualnej oceny stanu obudowy szybu po obserwacje metryczne. Rzetelne prowadzenie okresowej inwentaryzacji i pomiarów w szybach ma zapobiec nisz- czeniu elementów uzbrojenia szybu i rury szybowej. Niezależnie od celu prowadzonej inwentaryzacji, należy brać pod uwagę kolejne cechy szybu [4]: 64 Mateusz Jabłoński, Wojciech Jaśkowski

 parametry konstrukcyjne szybu (kształt, obudowa, zabudowa szybu),  długość rury szybowej,  rodzaj zabudowy ciągu prowadniczego i innych urządzeń szybowych,  przeznaczenie i funkcja szybu (wdechowy, wydechowy, transport ludzi, urobku),  możliwości wykonywania pomiarów geodezyjnych i instalacji elementów syste- mów (np. dostęp do zrębu szybu, przedział drabinowy),  czas przeznaczony na realizację pomiaru (inwentaryzacji). Wyłączenie szybu z działalności na czas pomiaru generuje poważne straty w działal- ności zakładu. Uniemożliwia transport ludzi czy urobku oraz szybkie dotarcie do poszko- dowanych w razie wypadku. Widoczne i naturalne jest więc dążenie do skracania czasu potrzebnego do wykonania inwentaryzacji. Ważnym jest, aby podczas tych czynności zapewnić również bezpieczeństwo osobie wykonującej te czynności. W tym celu rozwija się metody umożliwiające inwentaryzację rury szybowej oparte na laserowym (bezdotyko- wym) pomiarze odległości, metodach cyfrowych czy quasi-ciągłym monitoringu.

2. Charakterystyka pomiarów geodezyjnych wykonywanych dla potrzeb inwentaryzacji rury szybowej

Dobór metod zależy głównie od stanu szybu, prędkości zachodzących zmian i pro- gnoz odnoszących się do innych działań w pobliżu szybu, np. eksploatacji w filarze ochronnym, iniekcji mających uszczelnić szyb czy pogłębiania szybu. Pozyskiwanie informacji na temat stanu rury szybowej i jej obudowy można zakwalifikować do dwóch zasad- niczych grup: oceny wizualnej i obserwacji metrycznych [5]. 2.1. Ocena wizualna Ocena wizualna to inwentaryzacja widocznych zmian zewnętrznej struktury obudowy i elementów wyposażenia szybu. Obejmuje m.in. pęknięcia, odspojenia w strukturze obudowy, rysy i szczeliny, wycieki spoza obudowy. Dokonujący oceny obserwuje również elementy wyposażenia szybu, czyli stopień zużycia materiałów wskutek korozji czy gnicia oraz zerwania połączeń. Ocena prowadzona może być klasycznie przez dział szybowy i energomechaniczny lub z wykorzystaniem systemu monitoringu wizualnego opartego na kamerach cyfrowych. 2.1.1. Klasyczna ocena wizualna Codzienna i okresowa ocena wizualna przeprowadzana jest przez dział szybowy i energomechaniczny Zakładu Górniczego. Częstotliwość i dobór metod oceny uzależnione są od rodzaju i przeznaczenia szybu. W szybach, gdzie istnieje tylko rura szybowa (bez uzbrojenia, zwykle szyby przeznaczone wyłącznie do wentylacji) inspekcje wykonuje się raz na kwartał (co 3 miesiące). Specjalistyczny Urząd Górniczy (Katowice), któremu pod- legają szyby górnicze w całej Polsce, dopuszcza w ciągu roku trzykrotne wykorzystanie kamery i przynajmniej jedną rewizję wykonywaną wizualnie przez człowieka. W przypadku braku możliwości użycia maszyny wyciągowej w szybie należy wynająć wyciąg i zamontować skip z wyciągarką umożliwiając przejazd człowiekowi (np. na Górnym Śląsku wyciąg wypożycza się najczęściej z Centralnej Stacji Ratownictwa Górniczego w Bytomiu). W przypadku szybów ruchowych, gdzie zabudowany jest wyciąg szybowy, zgodnie z załącznikiem rozporządzenia [2] rewizje wykonuje się z częstotliwością podaną w tabeli 1. Przegląd technik inwentaryzacji rury szybowej 65

 parametry konstrukcyjne szybu (kształt, obudowa, zabudowa szybu), Tabela 1. Częstotliwość rewizji w szybach ruchowych wraz z określeniem wykonawcy  długość rury szybowej, Częstotliwość Wykonawca Kompetencje  rodzaj zabudowy ciągu prowadniczego i innych urządzeń szybowych, rewizji  przeznaczenie i funkcja szybu (wdechowy, wydechowy, transport ludzi, urobku), Codzienna Rewident Pracownik fizyczny działu szybowego  możliwości wykonywania pomiarów geodezyjnych i instalacji elementów syste- Tygodniowa Sztygar z oddziału szybowego Osoba ze średniego dozoru mów (np. dostęp do zrębu szybu, przedział drabinowy), Sześciotygodniowa Dotyczy tylko i wyłącznie wyciągu szybowego, maszyny wyciągowej i lin (nie  czas przeznaczony na realizację pomiaru (inwentaryzacji). dotyczy rury szybowej) Wyłączenie szybu z działalności na czas pomiaru generuje poważne straty w działal- Kwartalna Nadsztygar z oddziału szybowego ności zakładu. Uniemożliwia transport ludzi czy urobku oraz szybkie dotarcie do poszko- Roczna Główny inżynier energomechaniczny Kierownik działu energomechanicznego dowanych w razie wypadku. Widoczne i naturalne jest więc dążenie do skracania czasu potrzebnego do wykonania inwentaryzacji. Ważnym jest, aby podczas tych czynności Rewizja wykonywana jest z głowicy naczynia wyciągowego, na której zakłada się ba- zapewnić również bezpieczeństwo osobie wykonującej te czynności. W tym celu rozwija rierki i daszki ochronne. Pracownik zobowiązany jest do posiadania pełnego sprzętu wy- się metody umożliwiające inwentaryzację rury szybowej oparte na laserowym (bezdotyko- maganego przez BHP. wym) pomiarze odległości, metodach cyfrowych czy quasi-ciągłym monitoringu. 2.1.2. Monitoring wizyjny 2. Charakterystyka pomiarów geodezyjnych wykonywanych dla Monitoring wizualny oparty na kamerach cyfrowych jest stosowany w Polsce przez potrzeb inwentaryzacji rury szybowej nieliczne firmy i instytucje. W 2014 roku jeden z najnowszych systemów został zaprojektowany przez Zespół Geodezji Górniczej Katedry Ochrony Terenów Górniczych, Geoin- Dobór metod zależy głównie od stanu szybu, prędkości zachodzących zmian i pro- formatyki i Geodezji Górniczej Wydziału Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska gnoz odnoszących się do innych działań w pobliżu szybu, np. eksploatacji w filarze Akademii Górniczo-Hutniczej (Rys.1A – widok w laboratorium). System wymaga zainsta- ochronnym, iniekcji mających uszczelnić szyb czy pogłębiania szybu. Pozyskiwanie infor- lowania wyciągarki i systemu w świetle szybu. Następnie kapsuła opuszczana jest w dół za macji na temat stanu rury szybowej i jej obudowy można zakwalifikować do dwóch zasad- pomocą wyciągarki linowej. W kapsule znajdują się cztery kamery GoPro Hero 4 Black niczych grup: oceny wizualnej i obserwacji metrycznych [5]. o parametrach nagrywania obrazu i wykonywania zdjęć klatkowych 4k (UltraHD) o szyb- kości do 60 klatek/s (obraz z kamery zaprezentowano na rysunku 2). Kamery ustawione 2.1. Ocena wizualna prostopadle do siebie spoczywają na platformie wyposażonej w czujnik pochylenia, auto- matycznie poziomującej swoje ułożenie (Rys.1B – widok podczas pracy). Obraz oświetlany Ocena wizualna to inwentaryzacja widocznych zmian zewnętrznej struktury obudowy jest przez sześć reflektorów zamontowanych powyżej kamer. i elementów wyposażenia szybu. Obejmuje m.in. pęknięcia, odspojenia w strukturze obudowy, rysy i szczeliny, wycieki spoza obudowy. Dokonujący oceny obserwuje również a) b) elementy wyposażenia szybu, czyli stopień zużycia materiałów wskutek korozji czy gnicia oraz zerwania połączeń. Ocena prowadzona może być klasycznie przez dział szybowy i energomechaniczny lub z wykorzystaniem systemu monitoringu wizualnego opartego na kamerach cyfrowych. 2.1.1. Klasyczna ocena wizualna Codzienna i okresowa ocena wizualna przeprowadzana jest przez dział szybowy i energomechaniczny Zakładu Górniczego. Częstotliwość i dobór metod oceny uzależnione są od rodzaju i przeznaczenia szybu. W szybach, gdzie istnieje tylko rura szybowa (bez uzbrojenia, zwykle szyby przeznaczone wyłącznie do wentylacji) inspekcje wykonuje się raz na kwartał (co 3 miesiące). Specjalistyczny Urząd Górniczy (Katowice), któremu pod- legają szyby górnicze w całej Polsce, dopuszcza w ciągu roku trzykrotne wykorzystanie kamery i przynajmniej jedną rewizję wykonywaną wizualnie przez człowieka. W przypadku braku możliwości użycia maszyny wyciągowej w szybie należy wynająć wyciąg i zamontować skip z wyciągarką umożliwiając przejazd człowiekowi (np. na Górnym Śląsku wyciąg wypożycza się najczęściej z Centralnej Stacji Ratownictwa Górniczego w Bytomiu). W przypadku szybów ruchowych, gdzie zabudowany jest wyciąg szybowy, zgodnie z załącznikiem rozporządzenia [2] rewizje wykonuje się z częstotliwością podaną w tabeli 1. Rys. 1. System monitoringu wizyjnego: a) w laboratorium, b) podczas pracy w szybie 66 Mateusz Jabłoński, Wojciech Jaśkowski

Kapsuła zawiera również baterie zasilające kamery oraz anteny umożliwiające prze- kaz obrazu do komputera w czasie rzeczywistym. Daje to możliwość monitoringu aktualnie prowadzonych w szybie prac, np. wpływu iniekcji wykonywanych w celu uszczelnienia szybu na jego obudowę. Głębokość opuszczania systemu zależna jest jedynie od długości liny i możliwości wyciągarki.

Rys. 2. Obraz z kamery systemu wizyjnego

Produktem z tak zaprojektowanego systemu jest nie tylko wizja i ocena stanu rury szybowej wraz z uzbrojeniem. Wstępnie przetworzone zdjęcia wprowadzić można do programów graficznych, a następnie wygenerować z nich metryczny trójwymiarowy model [5]. Może on stać się już przedmiotem analiz porównawczych z przejazdów w kolejnych seriach oraz podstawą do stworzenia modelu referencyjnego. 2.2. Obserwacje metryczne Obserwacje metryczne to grupa metod pomiarowych rejestrujących jakościowo- ilościowy charakter zmian geometrii, struktury i fizyczno-mechanicznych parametrów elementów obudowy i uzbrojenia szybu. Badania tego typu wykonywane są nieregularnie, zwykle przez wyspecjalizowane przedsiębiorstwa lub instytucje. Zleceniodawcą takich badań mogą być władze górnicze lub osoby odpowiedzialne za bezpieczeństwo szybu. Badania specjalistyczne i pomiary geometrii szybu wykonywane są (w przypadku, kiedy w szybie nie obserwuje się znaczących zmian) raz na 5 lat. Zaś w przypadku stwierdzenia negatywnych zmian, badania wykonuje się częściej - zależnie od stanu szybu. Zakłady KGHM Polska Miedź S.A. zobowiązane są natomiast do wykonania pomiarów metrycznych po każdym silnym wstrząsie górniczym. Naturalnym jest więc dążenie do maksymalnego skrócenia czasu wyłączenia szybu na czas pomiarów. Wśród metod określanych jako metryczne w kontekście inwentaryzacji rury szybowej należy wyszczególnić kilka rodza- jów pomiarów. Jako pierwsze wymienić należy klasyczne pomiary sytuacyjne i wysoko- Przegląd technik inwentaryzacji rury szybowej 67

Kapsuła zawiera również baterie zasilające kamery oraz anteny umożliwiające prze- ściowe w odniesieniu do punktów pomiarowych wyznaczanych na podstawie pionów kaz obrazu do komputera w czasie rzeczywistym. Daje to możliwość monitoringu aktualnie mechanicznych i laserowych (w tym pomiary wysokościowych). Kolejnymi metodami są prowadzonych w szybie prac, np. wpływu iniekcji wykonywanych w celu uszczelnienia skaning laserowy 2D i 3D oraz obserwacje prowadzone z wykorzystaniem czujników szybu na jego obudowę. Głębokość opuszczania systemu zależna jest jedynie od długości zmian długości i pochyłomierzy. liny i możliwości wyciągarki. 2.2.1. Punkty pomiarowe wyznaczane na podstawie pionów mechanicznych i laserowych Najczęściej wykonywane przy badaniu odkształceń poziomych rury szybowej jest wyznaczenie współrzędnych punktów pomiarowych na podstawie pionów mechanicznych lub laserowych. Piony o znanych współrzędnych, zwieszone w szybie (skierowane w płaszczyźnie pionowej lub o zadanym kącie) stanowią bazę pomiarową (osnowę) dla wyznaczania zmian sytuacyjnych na każdym kolejnym wyznaczanym profilu. Punkty kontrolne (zastabilizowane w obudowie lub charakterystyczne), wyznacza się na podstawie domiarów do pionów lub poprzez wykorzystanie pionów jako osnowy dla pomiarów ta- chymetrycznych (Rys. 3). W takim wypadku często wykonuje się jednocześnie cały profil zadanego horyzontu, mierząc nie tylko punkty kontrolne, ale również obudowę i elementy uzbrojenia szybu [6].

lb Promień  lasera lp Li  xi p yi Rys. 2. Obraz z kamery systemu wizyjnego   i Produktem z tak zaprojektowanego systemu jest nie tylko wizja i ocena stanu rury Pi szybowej wraz z uzbrojeniem. Wstępnie przetworzone zdjęcia wprowadzić można do li Si X programów graficznych, a następnie wygenerować z nich metryczny trójwymiarowy model Y [5]. Może on stać się już przedmiotem analiz porównawczych z przejazdów w kolejnych Zi seriach oraz podstawą do stworzenia modelu referencyjnego.

2.2. Obserwacje metryczne Rys. 3. Schemat pomiaru tachymetrycznego z wykorzystaniem pionów o wyznaczonych współrzędnych. PM, Li – piony o wyznaczonych współrzędnych, Si – stanowisko pomiarowe, Pi, Zi –punkty kon- Obserwacje metryczne to grupa metod pomiarowych rejestrujących jakościowo- trolne α, β, γ, δ, ω – mierzone kąty [6] ilościowy charakter zmian geometrii, struktury i fizyczno-mechanicznych parametrów elementów obudowy i uzbrojenia szybu. Badania tego typu wykonywane są nieregularnie, W optymalnej wersji punkty są zastabilizowane w obudowie szybu, stanowiąc pio- zwykle przez wyspecjalizowane przedsiębiorstwa lub instytucje. Zleceniodawcą takich nowe i poziome horyzonty obserwacyjne, tzw. linie pomiarowe. Poziome horyzonty po- badań mogą być władze górnicze lub osoby odpowiedzialne za bezpieczeństwo szybu. winny być rozmieszczone równomiernie na całej długości szybu lub odcinku podlegającym Badania specjalistyczne i pomiary geometrii szybu wykonywane są (w przypadku, kiedy specjalnym obserwacjom (np. prowadzonym w utworach solnych). Interwał rozmieszczenia w szybie nie obserwuje się znaczących zmian) raz na 5 lat. Zaś w przypadku stwierdzenia horyzontów powinien być zależny od zachodzących w szybie zjawisk, a pomiar przemiesz- negatywnych zmian, badania wykonuje się częściej - zależnie od stanu szybu. Zakłady czeń pionowych powinien odbywać się na podstawie pomiaru tych samych punktów. KGHM Polska Miedź S.A. zobowiązane są natomiast do wykonania pomiarów metrycz- Realizuje się go różnie, w zależności od posiadanego przez zakład górniczy sprzętu pomia- nych po każdym silnym wstrząsie górniczym. Naturalnym jest więc dążenie do maksymal- rowego oraz przyjętej metodologii. Zasadniczym zagadnieniem jest zawsze pomiar odle- nego skrócenia czasu wyłączenia szybu na czas pomiarów. Wśród metod określanych jako głości pomiędzy punktami na kolejnych horyzontach. W podstawowej wersji do pomiaru metryczne w kontekście inwentaryzacji rury szybowej należy wyszczególnić kilka rodza- wykorzystuje się ruletkę stalową zwieszoną w świetle szybu, wzdłuż linii pomiarowej (Rys. jów pomiarów. Jako pierwsze wymienić należy klasyczne pomiary sytuacyjne i wysoko- 4A). Bardziej nowoczesną wersją jest wykorzystanie dalmierzy laserowych lub elektroop- 68 Mateusz Jabłoński, Wojciech Jaśkowski tycznych i reflektorów (stosowanych w zależności od zakładu w różnych konfiguracjach ustawienia) oraz niwelatora do pomiaru przewyższeń na dachu klatki szybowej i na pod- szybiu (Rys. 4B). a) b) Repery linii Niwelator obserwacyjnej Reflektor Łata

Zrąb szybu Ruletka stalowa

Niwelator Łata

Dalmierz Klatka Repery linii szybowa obserwacyjnej Klatka szybowa

Rys. 4. Pomiar wysokościowy wykonywany przy wykorzystaniu: a) ruletki stalowej, b) dalmierza, reflek- tora i niwelatora [6]

Zrąb szybu Ruletka stalowa

Niwelator Łata

Dalmierz Klatka Repery linii szybowa obserwacyjnej Klatka Rys. 5. a) Skaner laserowy 2D ustawiony na głowicy klatki szybowej, b) punkty profilowe uzyskane szybowa z pomiarów wykonanych za pomocą dwóch skanerów laserowych 2D na tle szkicu tarczy szybu [7]

Rys. 4. Pomiar wysokościowy wykonywany przy wykorzystaniu: a) ruletki stalowej, b) dalmierza, reflek- tora i niwelatora [6]

Metodą pomiarową łączącą powyższe dwie (pomiar zmian sytuacyjnych i wysokościowych) jest wykorzystanie dalmierza laserowego i wideodetekcji plamki laserowej. W połączeniu z komputerowym systemem detekcji wiązki laserowej po przyłożeniu matrycy w ustalony sposób do zastabilizowanego punktu pomiarowego istnieje możliwość wykrywania zmian poziomych, a dalmierz mierzy odległość pionową [7]. 2.2.2. Skaning laserowy 2D i 3D Skaning laserowy to metoda powszechnie stosowana do odwzorowania obiektów w prawie wszystkich dziedzinach. W kontekście badań szybowych wykonanie skaningu odbywa się z dachu klatki szybowej lub z wysięgników umieszczanych w przedziale drabi- nowym. Istnieje możliwość wykonania pomiarów skanerem 2D lub 3D. Skaner 2D w wersji stworzonej w Zespole Geodezji Górniczej stanowi połączenie dalmierza DISTO plus z silnikiem krokowym sterowanym za pomocą komputera (Rys. 5A). Umożliwia wykonanie profili poziomych, pionowych lub w dowolnie nachylonej płaszczyźnie. Syn- Rys. 6. Schemat prowadzenia pomiarów z wykorzystaniem skanera usytuowanego pionowo pod klatką szybową [8] chronizacja czasów obrotu z momentem wykonywania pomiaru odległości daje możliwość uzyskania współrzędnych lokalnych w płaszczyźnie skanowania oraz późniejsze analizy Skaner 3D wykonuje natomiast pomiar całości otaczającej przestrzeni, nadając i generowanie przekrojów w przestrzeni CAD (Rys. 5B) [7]. wszystkim punktom w zadanej siatce pomiarowej współrzędne (X, Y, Z) oraz intensywność 70 Mateusz Jabłoński, Wojciech Jaśkowski odbicia wiązki laserowej (tzw. Intensity – I). Trudność w pomiarach skaningowych zaczyna się już na etapie markowania (instalowania) punktów łącznych w szybach, które powinny być widoczne z sąsiednich stanowisk skanera. Stąd też pojawiają się koncepcje skanowania panoramicznego poprzez podwieszony pod naczyniem wyciągowym skaner, wykonujący pomiar na zasadzie zaprezentowanej na rysunku 6 lub polskie rozwiązania umieszczania skanera na dachu klatki [8]. Do łączenia kolejnych skanów wykorzystuje się punkty charakterystyczne identyfikowane w przestrzeni rury szybowej i elementów uzbrojenia lub stosuje się metodę wpasowania chmury w chmurę (z ang. Cloud to cloud) [3]. 2.2.3. Czujniki zmian długości i pochyłomierze W przeciwieństwie do wyżej wymienionych metod czujniki zmian długości oraz po- chyłomierze umożliwiają quasi-ciągły pomiar zmian zachodzących w szybie. Dzięki po- miarowi w dopasowanych do prędkości zachodzącego zjawiska interwałach istnieje możli- wość bieżącego monitoringu zachodzących procesów. Technologia ta jest dedykowana szczególnie dla obiektów, w których bezpośrednim otoczeniu lub w nich samych są prowadzone prace mogące powodować nagłe zmiany. Już minimalne zmiany prezentujące pewien trend, wykryte odpowiednio wcześnie mogą zapobiec powstaniu uszkodzeń konstrukcji szybu oraz awarii krytycznych. Oprócz ciągłego monitoringu stanu szybu, pomiary przy wykorzystaniu tensometrów, pochyłomierzy i szeroko pojętych metod telemetrycznych, nie wymagają bezpośredniego, każdorazowego uczestnictwa człowieka w pomiarach. Zmniejsza się też czas i liczba uciąż- liwych oraz kosztownych dla kopalni wyłączeń szybu z pracy.

3. Zastosowanie systemu zbudowanego na bazie czujników zmian długości i pochyłomierzy. Monitoring geodezyjny w szybie Kościuszko KS Wieliczka

W 2014 roku na potrzeby obserwacji szybu Kościuszko Kopalni Soli Wieliczka, podczas wykonywanych prac wiertniczych i iniekcyjnych, został zaprojektowany system geodezyjnego monitoringu deformacji obudowy szybu i kanału dolotowego oraz konstrukcji wieży szybowej. XVIII-wieczny szyb wydechowy przez stulecia był narażony na nisz- czące działanie soli wydobywającej się z powietrzem i parą wodną z kopalni. Ponadto wody powierzchniowe zalewały górną część jego obudowy i wdzierały się przez mikropęk- nięcia do środka [9]. 3.1. Projekt iniekcji W celu ograniczenia napływu wód zdecydowano o wykonaniu szeregu iniekcji wokół rury szybowej (Rys. 7). W pierwszym etapie od sierpnia 2014 roku wykonano 54 iniekcje strumieniowe w technologii Jet-grouting. Następnie w drugim etapie zagęszczono odwierty i do końca kwietnia 2015 roku wykonano dodatkowe 38 iniekcji w technologii łączonej: Jet-grouting i klasycznej. Średnia głębokość odwiertów wynosiła 15 m. Technologia Jet- grouting polega na wywierceniu otworu i rozluźnieniu struktury gruntu przy pomocy powietrza oraz wody wtłaczanych pod dużym ciśnieniem. Następnie od najniższego punktu otworu wprowadza się pod dużym ciśnieniem (w opisywanym przypadku 20-25 MPa) mieszankę żywicy i cementu, która miesza się z gruntem. W czasie jej wprowadzania głowica obraca się ze stałą prędkością (22-125 obrotów na minutę). W efekcie wykonanych iniekcji powstał płaszcz wzmacniający konstrukcję rury szybowej i chroniący szyb przed napływem wód powierzchniowych. Przegląd technik inwentaryzacji rury szybowej 71 odbicia wiązki laserowej (tzw. Intensity – I). Trudność w pomiarach skaningowych zaczyna się już na etapie markowania (instalowania) punktów łącznych w szybach, które powinny być widoczne z sąsiednich stanowisk skanera. Stąd też pojawiają się koncepcje skanowania panoramicznego poprzez podwieszony pod naczyniem wyciągowym skaner, wykonujący pomiar na zasadzie zaprezentowanej na rysunku 6 lub polskie rozwiązania umieszczania skanera na dachu klatki [8]. Do łączenia kolejnych skanów wykorzystuje się punkty charakterystyczne identyfikowane w przestrzeni rury szybowej i elementów uzbrojenia lub stosuje się metodę wpasowania chmury w chmurę (z ang. Cloud to cloud) [3]. 2.2.3. Czujniki zmian długości i pochyłomierze W przeciwieństwie do wyżej wymienionych metod czujniki zmian długości oraz po- chyłomierze umożliwiają quasi-ciągły pomiar zmian zachodzących w szybie. Dzięki po- miarowi w dopasowanych do prędkości zachodzącego zjawiska interwałach istnieje możli- wość bieżącego monitoringu zachodzących procesów. Technologia ta jest dedykowana szczególnie dla obiektów, w których bezpośrednim otoczeniu lub w nich samych są prowadzone prace mogące powodować nagłe zmiany. Już minimalne zmiany prezentujące pewien trend, wykryte odpowiednio wcześnie mogą zapobiec powstaniu uszkodzeń konstrukcji szybu oraz awarii krytycznych. Oprócz ciągłego monitoringu stanu szybu, pomiary przy wykorzystaniu tensometrów, pochyłomierzy i szeroko pojętych metod telemetrycznych, nie wymagają bezpośredniego, każdorazowego uczestnictwa człowieka w pomiarach. Zmniejsza się też czas i liczba uciąż- liwych oraz kosztownych dla kopalni wyłączeń szybu z pracy. Rys. 7. Szkic budynku nadszybia, rury szybowej oraz wykonanych iniekcji w podziale na dwie fazy projektu (kolorem niebieskim oznaczono fazę 1, kolorem czerwonym - fazę 2) [9] 3. Zastosowanie systemu zbudowanego na bazie czujników zmian długości i pochyłomierzy. Monitoring geodezyjny w szybie 3.2. Schemat rozmieszczenia czujników Kościuszko KS Wieliczka Na podstawie wykonanych analiz zdecydowano o instalacji czujników na pięciu poziomych horyzontach pomiarowych oraz czujników zmian długości pionowej pomiędzy W 2014 roku na potrzeby obserwacji szybu Kościuszko Kopalni Soli Wieliczka, pod- kolejnymi horyzontami. Pomiędzy zastrzałami wieży szybowej zainstalowano czujnik czas wykonywanych prac wiertniczych i iniekcyjnych, został zaprojektowany system zmian długości (Rys. 8). geodezyjnego monitoringu deformacji obudowy szybu i kanału dolotowego oraz konstrukcji wieży szybowej. XVIII-wieczny szyb wydechowy przez stulecia był narażony na nisz- czące działanie soli wydobywającej się z powietrzem i parą wodną z kopalni. Ponadto wody powierzchniowe zalewały górną część jego obudowy i wdzierały się przez mikropęk- nięcia do środka [9]. 3.1. Projekt iniekcji W celu ograniczenia napływu wód zdecydowano o wykonaniu szeregu iniekcji wokół rury szybowej (Rys. 7). W pierwszym etapie od sierpnia 2014 roku wykonano 54 iniekcje strumieniowe w technologii Jet-grouting. Następnie w drugim etapie zagęszczono odwierty i do końca kwietnia 2015 roku wykonano dodatkowe 38 iniekcji w technologii łączonej: Jet-grouting i klasycznej. Średnia głębokość odwiertów wynosiła 15 m. Technologia Jet- grouting polega na wywierceniu otworu i rozluźnieniu struktury gruntu przy pomocy powietrza oraz wody wtłaczanych pod dużym ciśnieniem. Następnie od najniższego punktu otworu wprowadza się pod dużym ciśnieniem (w opisywanym przypadku 20-25 MPa) mieszankę żywicy i cementu, która miesza się z gruntem. W czasie jej wprowadzania głowica obraca się ze stałą prędkością (22-125 obrotów na minutę). W efekcie wykonanych iniekcji powstał płaszcz wzmacniający konstrukcję rury szybowej i chroniący szyb przed napływem wód powierzchniowych. Rys. 8. Schemat rozmieszczenia elementów systemu monitoringu w szybie Kościuszko [9] 72 Mateusz Jabłoński, Wojciech Jaśkowski

Na poszczególnych poziomach umieszczono dwie prostopadłe do siebie bazy tenso- metryczne (potencjonometry rezystancyjne o dokładności pomiaru 0,1mm), pochyłomierze (Nivel 220 firmy Leica o rozdzielczości 0,01 mm/m) oraz czujniki pomiaru pH wody w zakresie 6-14. Czujniki umieszczono w taki sposób, aby umożliwić przejazd kolumną z systemem wizyjnym. Pomiar temperatury na każdym poziomie oraz na zastrzałach wieży szybowej umożliwił późniejsze wprowadzenie poprawek termicznych. Obserwacje z czuj- ników zbierane były najpierw w szafach połączeniowych na poszczególnych poziomach, a następnie przekazywane kablami wielożyłowymi do centrum monitoringu w nadszybiu. Obserwator, zbierając dane w czasie rzeczywistym, mógł w każdej chwili zadecydować o zatrzymaniu wykonywania iniekcji lub korekcie projektu (zmiana prędkości podnoszenia głowicy czy zmiana ciśnienia podawania iniektu). 3.3. Opracowanie danych i analiza Dane otrzymywane początkowo w voltach autorski program oparty o środowisko LabView przeliczał na jednostki metryczne i stopnie Celsjusza. Oprócz monitoringu bieżą- cego, po opracowaniu danych, wykonano analizy zachowania szybu pod wpływem iniekcji wykonywanych w jego bezpośrednim sąsiedztwie oraz stworzono zestawienie całkowitych zmian długości (Tab. 2 i 3).

Tabela 2. Zmiany długości cięgien poziomych [9] poziom W-E (podłużne) [mm] N-S (poprzeczne) [mm] / data 11.08- 16.09- 12.11- 16.01- zmiany 11.08- 16.09- 12.11- 16.01- zmiany 15.09 16.10 20.11 17.03 całkowite 15.09 16.10 20.11 17.03 całkowite 0 1,45 -0,90 0,18 0,00 0,73 0,63 0,01 0,30 0,08 1,02 1 0,58 1,35 0,22 1,62 3,77 -0,80 -1,20 0,10 -2,80 -4,80 2 0,25 1,30 0,06 2,14 3,75 -3,30 -4,10 0,02 0,02 -7,40 3 -0,10 0,05 0,14 1,13 1,18 0,32 0,17 0,08 0,17 0,74 4 0,42 -0,10 0,12 -0,20 0,31 1,32 0,00 0,22 0,15 1,69

Tabela 3. Zmiany długości cięgien pionowych [9] poziom 11.08-15.09 16.09-16.10 12.11-20.11 16.01-17.03 Całkowite [mm] / data 0-1 0,42 -0,20 0,27 0,30 0,82 1-2 0,28 0,18 0,08 1,23 1,77 2-3 -1,20 -10,00 -1,80 -0,20 -13,00 3-4 0,10 0,00 0,00 0,00 0,09

Analiza wykazała, że najbardziej narażone na działanie iniekcji były poziomy znajdu- jące się w pobliżu średniej głębokości wykonywanych iniekcji (15 m). Największe zmiany poziome zaobserwowano więc na poziomie 2 (na głębokości 15,2 m), a największa zmiana długości pionowej ujawniła się pomiędzy poziomami 2 a 3. Dla lepszej prezentacji wyni- ków zmiany długości na podstawie znanych długości cięgien przeliczono na deformacje w mm/m i zestawiono w tabeli 4. Na podstawie danych zebranych dla rozstawu zastrzałów wieży szybowej, zreduko- wanych o poprawkę termiczną, stwierdzono brak większych zmian (w granicach 0,1 mm/m na przestrzeni całych badań). Przegląd technik inwentaryzacji rury szybowej 73

Na poszczególnych poziomach umieszczono dwie prostopadłe do siebie bazy tenso- Tabela 5. Deformacje całkowite cięgien poziomych i pionowych [9] metryczne (potencjonometry rezystancyjne o dokładności pomiaru 0,1mm), pochyłomierze profile poziome [mm/m] profile pionowe (Nivel 220 firmy Leica o rozdzielczości 0,01 mm/m) oraz czujniki pomiaru pH wody W-E (podłużne) N-S (poprzeczne) poziom długość cięgna deformacje w zakresie 6-14. Czujniki umieszczono w taki sposób, aby umożliwić przejazd kolumną 5,9 m 4,4 m poziom z systemem wizyjnym. Pomiar temperatury na każdym poziomie oraz na zastrzałach wieży 0 0,12 0,23 [m] [mm/m] szybowej umożliwił późniejsze wprowadzenie poprawek termicznych. Obserwacje z czuj- 1 0,64 -1,08 0-1 6,4 0,13 ników zbierane były najpierw w szafach połączeniowych na poszczególnych poziomach, 2 0,64 -1,68 1-2 4,6 0,38 a następnie przekazywane kablami wielożyłowymi do centrum monitoringu w nadszybiu. Obserwator, zbierając dane w czasie rzeczywistym, mógł w każdej chwili zadecydować 3 0,20 0,17 2-3 8,7 -1,52 o zatrzymaniu wykonywania iniekcji lub korekcie projektu (zmiana prędkości podnoszenia 4 0,05 0,38 3-4 12,0 0,01 głowicy czy zmiana ciśnienia podawania iniektu). 4. Podsumowanie 3.3. Opracowanie danych i analiza Dane otrzymywane początkowo w voltach autorski program oparty o środowisko Szyb górniczy jest poddawany szeregowi inspekcji i pomiarów. Obserwacje – zarów- LabView przeliczał na jednostki metryczne i stopnie Celsjusza. Oprócz monitoringu bieżą- no ocena wizualna, jak i pomiary metryczne – prowadzone są w określonym interwale cego, po opracowaniu danych, wykonano analizy zachowania szybu pod wpływem iniekcji czasowym. Wykazują więc jedynie stan obiektu w momencie jego obserwacji, uniemożli- wykonywanych w jego bezpośrednim sąsiedztwie oraz stworzono zestawienie całkowitych wiając w ten sposób analizę w kontekście przyczyn zaistniałych zmian. Natomiast tylko zmian długości (Tab. 2 i 3). poznanie przyczyn procesów zachodzących w szybie może uchronić go przed awariami krytycznymi. Tabela 2. Zmiany długości cięgien poziomych [9] Dzięki systemowi zaprezentowanemu w ostatniej części artykułu wykonano analizę procesów zachodzących w szybie przy wykonywaniu iniekcji uszczelniających. Uzyskane poziom W-E (podłużne) [mm] N-S (poprzeczne) [mm] wyniki pracy systemu są w pełni zadowalające. Dla prac mogących mieć wpływ na bezpie- / data 11.08- 16.09- 12.11- 16.01- zmiany 11.08- 16.09- 12.11- 16.01- zmiany czeństwo szybu (np. pogłębianie czy zalewanie szybu, eksploatacja w filarze ochronnym

15.09 16.10 20.11 17.03 całkowite 15.09 16.10 20.11 17.03 całkowite czy wykonywanie iniekcji) rekomenduje się wykorzystanie ciągłego monitoringu. Należy 0 1,45 -0,90 0,18 0,00 0,73 0,63 0,01 0,30 0,08 1,02 rozważyć ekonomiczny aspekt instalacji systemów w szybach podlegających obowiązko- 1 0,58 1,35 0,22 1,62 3,77 -0,80 -1,20 0,10 -2,80 -4,80 wym pomiarom kontrolnym po tąpnięciach oraz odcinkom szybów poprowadzonych 2 0,25 1,30 0,06 2,14 3,75 -3,30 -4,10 0,02 0,02 -7,40 w utworach solnych i podlegających ciągłym deformacjom. 3 -0,10 0,05 0,14 1,13 1,18 0,32 0,17 0,08 0,17 0,74 Zmniejszenie liczby pomiarów wykonywanych w szybie podnosi bezpieczeństwo 4 0,42 -0,10 0,12 -0,20 0,31 1,32 0,00 0,22 0,15 1,69 pomiarowych, a ciągła obserwacja rury szybowej umożliwia ocenę konieczności wykonania geodezyjnych pomiarów kontrolnych. W sytuacjach krytycznych system może zaalar- Tabela 3. Zmiany długości cięgien pionowych [9] mować dział szybowy o niebezpiecznych zmianach. Ponadto analiza metod uważanych za klasyczne wskazuje, że metody ciągłych pomiarów telemetrycznych w rurach szybowych poziom 11.08-15.09 16.09-16.10 12.11-20.11 16.01-17.03 Całkowite [mm] dają możliwość zastąpienia niektórych okresowych pomiarów inwentaryzacyjnych i kon- / data trolnych. 0-1 0,42 -0,20 0,27 0,30 0,82 1-2 0,28 0,18 0,08 1,23 1,77 Artykuł jest opracowaniem referatu z Konferencji Naukowo-Technicznej „Współcze- 2-3 -1,20 -10,00 -1,80 -0,20 -13,00 sne problemy geodezji i ochrony środowiska” organizowanej na Uniwersytecie Przyrodni- 3-4 0,10 0,00 0,00 0,00 0,09 czym w Lublinie. System wraz z oprogramowaniem integrującym dane monitoringu zbudowano w ra- Analiza wykazała, że najbardziej narażone na działanie iniekcji były poziomy znajdu- mach projektu: „Opracowanie technologii uszczelniania szybów górniczych przez Kopalnię jące się w pobliżu średniej głębokości wykonywanych iniekcji (15 m). Największe zmiany Soli „Wieliczka”, współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju poziome zaobserwowano więc na poziomie 2 (na głębokości 15,2 m), a największa zmiana Regionalnego i jest przedmiotem zgłoszenia patentowego. długości pionowej ujawniła się pomiędzy poziomami 2 a 3. Dla lepszej prezentacji wyni- Artykuł opracowano w ramach prac statutowych AGH nr 11.11.150.195. ków zmiany długości na podstawie znanych długości cięgien przeliczono na deformacje w mm/m i zestawiono w tabeli 4. Bibliografia Na podstawie danych zebranych dla rozstawu zastrzałów wieży szybowej, zreduko- wanych o poprawkę termiczną, stwierdzono brak większych zmian (w granicach 0,1 mm/m 1. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 roku w sprawie bezpieczeństwa na przestrzeni całych badań). i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych, Dz.U.02.139.1169. 74 Mateusz Jabłoński, Wojciech Jaśkowski

2. Załącznik nr 4 do Rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 roku [6] „Szczegółowe zasady prowadzenia ruchu w wyrobiskach”, Dz.U.02.139.1169. 3. Szczerbowski Z., Jóźwik M. Przykłady naturalnych i górniczych uwarunkowań deformacji szybów górniczych. XXV Zimowa Szkoła Mechaniki Górotworu ‘Geotechnika i budownictwo specjalne’, Zakopane, 2002. 4. Lipecki T. Kompleksowa ocena stanu geometrycznego obiektów i urządzeń szybowych z zastosowaniem skaningu laserowego. Wydawnictwa AGH, 2013. 5. Preuss R. Automatyzacja procesu przetwarzania danych obrazowych. Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji 26 (2014) 119-127. 6. Jóźwik M., Jaśkowski W. Wykorzystanie nowoczesnych technik pomiarowych do określania odkształceń rury szybowej. Niepublikowany raport wykonany dla KGHM Polska Miedź S.A., 1999. 7. Jaśkowski W. Kompleksowe wyznaczanie geometrii szybów górniczych za pomocą Modularne- go Systemu Pomiarowego. Wydawnictwa AGH, 2013. 8. Bock J., Uhl O., Benecke N., Kuchenbecker R. Support of high performance operations in coal mining by use of 3d laser scanning. Camborne School of Mines IMS, Camborne School of Mi- nes, 2009. 9. Jaśkowski W., Lipecki T., Jabłoński M. Deformacje szybu „Kościuszko” KS Wieliczka wywo- łane pracami uszczelniającymi obudowę szybu. Przegląd Górniczy 1(2016) 4-11.

The usage of telemetry measurements methods in order to determine shaft tube

Mateusz Jabłoński, Wojciech Jaśkowski

AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining Surveying and Environmental Engineering, Department of Mine Areas Protection, Geoinformatics and Mine Surveying, e-mail:[email protected], [email protected]

Abstract: Ensuring shaft’s safe operation is the primary aim of measurements and observations performed in mining shafts. This involves not only determining the current technical condition of the mining shaft, but also determining causes of observed changes. In order to preserve the efficiency of every shafts several inventory works have been performed, described in details in Ordinance (Regulation of the Minister of Economy from 28th of June 2002) and its appendix number 4 [1,2]. The report presents an overview of measurements techniques which are in use in order to perform shift tube’s inventory, with particular emphasis on telemetric measurement methods. As an example monitoring system designed for ‘Kościuszko’ shaft in ‘Wieliczka’ Salt Mine has been described in details. In order to prevent such situations, mobile system for monitoring the condition of the structure of the shaft was mounted and user in 2014 and 2015. Its indications allowed to define in the current time the value of deformation occurring in the shaft, and if necessary immediately modify the schedule and course of injection works. Analysis of the results shows a slight deformation of the shaft housing during the injection, and demonstrates the advantages of the monitoring system and a novel method of high-pressure injections. Keywords: telemetry, shaft tube, inventory. Budownictwo i Architektura 15(3) (2016) 75-81

Numerical methods in understanding reaction pathways NOx oxidation

Justyna Jaroszyńska-Wolińska, Szymon Maliowski

Faculty of Civil Engineering and Architecture, Lublin University of Technology, Nadbystrzycka 40, 20-618 Lublin, Poland, e-mail: [email protected], [email protected]

Abstract: Different quantum chemical models were applied in energetic analysis of process of oxidation of NO and NO2 through reaction with ozone generated by non-thermal equilibrium (low temperature), atmospheric pressure plasma. The potential energy surfaces of systems comprising NO and NO2 with ozone were characterized. The NOx oxidation processes well known, at the molecular level, were modelled by ab initio quantum methods to calculate the total reaction energy, Et, of each step in the reaction chain. chemistry was further applied in an attempt to detect the presence of any transition states to calculate the activation energy, Ea, of reactions (1) NO + O3 and (2) NO2 + O3 using the MP2 level of theory with three different basis sets and fine potential energy scan resolution. Keywords: NO and NO2; O3; DFT; CASSCF; CCSD; MP2.

1. Introduction

Of interest to industry are techniques to destroy NOx at the post-combustion, exhaust stage, commonly called end-of-pipe removal or abatement techniques? These include selective catalytic reduction (SCR), selective non-catalytic reduction (SNCR) and plasma chemistry. SCR and SNCR techniques require substantial investment in equipment and have limitations in efficiency. These problems motivate development of an improved energy and chemicals efficient, widely applicable end-of-pipe NOx abatement technology. Industrial plasma systems appears to offer technically feasible and commercially interesting solutions based on the Gas State conversion of NOx into industrially useful by-products, such as nitric acid. The overall oxidation process of NOx by plasma generated ozone can be described by the following global reactions some or all of which reactions almost certainly incorporate intermediate stages in which intermediate species are generated:

NO + O3  NO2 + O2 (1)

NO2 + O3  NO3 + O2 (2)

NO2 + NO3  N2O5 (3)

2NO2 + O3  N2O5 + O2 (4) The detailed mechanisms of these reactions are complex not well known, their understanding is key to making this method of NOx conversion efficient and applicable in practice. One way to determine major factors which govern the process might be to perform exhaustive and expensive experimental studies but there would be no certainty that these 76 Justyna Jaroszyńska-Wolińska, Szymon Maliowski would reveal the important processes. An attractive alternative seems to be molecular modeling based on quantum chemical methods. Quantum chemistry today delivers very powerful tools for studying varied chemical problems. We have applied quantum chemistry methods to describe the energetics of elementary reactions comprising the NOx oxidation process. The modern theoretical techniques, involving the density functional theory (DFT) and ab initio multi-configurational approach (MCSCF), are well suited for this kind of calculation. We present our theoretical calculations of the total reaction energy, Et, of each of steps (1) to (4) in the above reaction chain, in the detection of any transition states in each of the reactions and in calculation of the activation energy, Ea, of the initializing reactions (1) NO + O3 and (2) NO2 + O3. This pre- liminary work aims at determining the relative thermodynamic probability of potentially competing reaction paths, e.g. (1)  (2)  (3)  versus (1)  (4)

2. Computational details and discussion

To investigate such oxidation processes, however, each reaction must be characterized at the molecular level and this was attempted using a total of five quantum chemical techniques: 1. Techniques to determine the total energy of reactions, Et: a. Density Functional Theory (DFT) based Becke-3-Lee Yang Parr (B3LYP). b. Complete Active Space Self-Consistent Field (CASSCF). 2. Techniques to investigate transition states as work towards estimation of activation energies: a. Hartree Fock (HF). b. Moller Plesset Perturbation (MP2). c. Density Functional Theory (DFT) based Becke-3-Lee Yang Parr (B3LYP). d. Coupled Cluster with Singles and Doubles (CCSD) substitutions. Techniques 1a and 1b above were applied in determination of the total reaction energy, defined as Et = Eproducts – Ereactants, for reactions (1) – (4) above. The equilibrium geometries and electronic energies of substrates and products, namely the oxygen molecule, the ozone molecule, the mono-nitrogen oxide molecules, NO and NO2 and the product molecules NO3 and N2O5, were calculated as well as their zero-point vibration energy (ZPE). ZPE From these, total reaction energies corrected for the ZPE, Et , were also calculated. DFT calculations were carried out using the parallel version of the Parallel Quantum Solutions quantum chemistry software [1] while the CASSCF calculations were carried out using the DALTON quantum chemistry software [2]. The calculations were done at the DFT/B3LYP/6-311G(d,p) and the CASSCF(σ-and π-derived)/6-31G(d,p) levels of theory. It was demonstrated that the DFT/B3LYP technique is superior to the ab initio CASSCF approach. The DFT method provides an efficient way of estimating the static and dynamic correlation energies for the strongly multi-configurationally species such as those considered in this work. Good agreement between the DFT/B3LYP and the experimental geometries as well as harmonic frequencies, where available experimentally, was achieved. In contrast, the CASSCF approach either tended to give the wrong structure of the molecule, e.g. the NO3 molecule, or could not be applied due to computational problems, as for the N2O5 molecule. Accordingly, the ZPE corrected relative energies for reactions (1) – (4) above were computed at the DFT level only. ZPE The negative values of Et showed that energy was released and all the reactions are exothermic. Numerical methods in understanding reaction pathways NOx oxidation 77

However, Et alone is not sufficient to determine the relative probability of competing reaction paths. Only by determination of the complete energy scheme of each competing reaction path, including any critical intermediate or transmission reactions, and the energy changes for intermediate reactions, ΔEi = Eintermediates – Ereactants, can the relative thermodynamic probability of competing reactions be found. If we assume that the highest energy state of each of the reaction processes (1) to (4) is an intermediate state, then we can say that this defines the activation energy, Ea, of the particular reaction, i.e. Ea  ΔEi. Four different quantum chemistry methods were, therefore, applied to try to determine the presence or absence of transitional or intermediate states. The methods partially characterized the potential energy surface computed as a function of the bond distance between the N-atom of the mono-nitrogen oxide (NO or NO2) and the O-atom of ozone. The 6-311g (d, p) 5d basis set level of theory was used in all four of the quantum chemical techniques.

2.1. Determination of total reaction energies, Et From application of the DFT and CASSCF methods described in previous work [4] the total reaction energies, defined as Et = Eproducts – Ereactants, for the reactions (1) – (4) were determined by calculating the equilibrium geometries and electronic energies of substrates and final reaction products. These are the oxygen molecule, the ozone molecule and a few nitrogen oxide molecules NOx, as well as their zero-point vibration energy (ZPE). Table 1 shows the total reaction energies, Et, and the total reaction energies corrected for the zero ZPE point energy (ZPE), Et , for reactions (1) – (4) calculated at the DFT/B3LYP/6-311G(d,p) and the CASSCF(- and -derived)/6-31G(d,p) levels of theory.

ZPE Table 1. Calculated total reaction energies, Et, and total reaction energies corrected for the ZPE, Et , of reactions (1)-(4) ZPE Reaction Method Et Et [kcal/mol] [kcal/mol]

NO + O3 NO + O2 DFT/B3LYP -62.78 -62.31 CASSCF -31.36 -30.54

NO2+O3 NO3 + O2 DFT/B3LYP -37.56 -38.59 CASSCF -15.63 -14.69

NO2 + NO3  N2O5 DFT/B3LYP -21.62 -16.90 CASSCF - -

2NO2 + O3 N2O5+O2 DFT/B3LYP -59.18 -55.49 CASSCF - -

2.2. Determination of activation energies, Ea Reactions (1) and (2) above have been computationally modelled assuming a direct reaction of ozone with NOx proceeding via formation of transition states followed by breaking of the O-O2 bond according to the following schemes:

‡ NO + O3  {ON…O…O2}  NO2 + O2 (5)

‡ NO2 + O3  {O2N…O…O2}  NO3 + O2 (6) In the present study we applied four different quantum chemical models to characte- rize the potential energy surface of a system comprising nitrogen oxide reacting with ozone: 78 Justyna Jaroszyńska-Wolińska, Szymon Maliowski

HF, MP2, DFT/ B3LYP and CCSD. Energy was computed as a function of the distance between the N-atom of the nitrogen oxide and the O-atom of ozone. All calculations were carried out using the Gaussian 03 [3] suite of programs for electronic structure calculations. All calculations were performed using the 6-311g (d, p) basis set. To compute the potential energy scans, the distance between the N-atom of nitrogen oxides (NO and NO2) and the O-atom of ozone was systematically varied between 1.25Å and 2.50Å in increments of 0.05Å. At each point, the geometries were optimized using HF, MP2 and B3LYP levels of theory. For calculations using the CCSD quantum chemical method, the structures optimized at MP2 levels of theory were used and only single point calculations were carried out. The optimized geometries were verified as global minima by carrying out the frequency calculations. The geometries with positive frequency values were considered to minima while the geometries with one negative frequency correspond to transition states. The grids were intensified between 1.40Å and 1.80Å to increments of 0.01Å to better locate any transition states. Following results from these calculations, reactions (1) and (2) were again modeled using the MP2 level of theory but at higher energy scan resolution with varying finer increments down to as low as 0.0001Å and with three different basis sets, namely 6-311G(d,p) , cc-pVDZ and aug-cc-pVDZ. The plots of potential energy vs. N-O bond distance for the reactions of NO and NO2 with O3 indicated the presence of transition states in both reactions in the HF, MP2 and CCSD models but no clear indication could be seen in the B3LYP analysis. N-O bond distance for the O3-NO reaction was indicated at about 1.6 Å by all three positive models while N-O bond distance for the O3-NO2 reaction was calculated at 1.6 Å by the MP2 and CCSD techniques and at 1.78 Å by the HF method.

Table 2. Calculated N-O distance during O3-NO and O3-NO2 reactions.

O3-NO Reaction O3-NO2 Reaction Model Transition State N-O Transition State N-O Indicated Distance Indicated Distance HF Yes 1.62Å Yes 1.78Å MP2 Yes 1.6Å Yes 1.61Å B3LYP No - No - CCSD Yes 1.59Å Yes 1.6Å

A tentative conclusion could be drawn that the reactions of ozone with nitrogen oxides do not go directly from reactants to products but involve at least one intermediate state. Further analysis would require multi-reference wave functions, such as obtained from CASSCF calculations, and inclusion of dynamical correlations energy via second order multi-reference perturbation theory. In an attempt to better define the potential energy surfaces, the MP2 level of theory was further applied to reactions (1) and (2) with three different basis function sets and finer potential energy scan resolution. Figure 3 shows the potential energy surface for the three basis sets for reaction (1) (NO with O3) and Figure 4 shows the same for reaction (2) (NO2 with O3). These finer energy scans show the presence of transition states. With respect to reaction (1) of NO with O3, the MP2/6-311g(d,p) and MP2/cc-pVDZ basis sets show the transition state at an N-O distance of 1.605Å while in the MP2/aug-cc-pVDZ basis set the transition state is at 1.6146Å and, in this case, the transition state is an in-plane type complex as Numerical methods in understanding reaction pathways NOx oxidation 79 shown in Figure 1. With respect to reaction (2) of NO2 with O3, all three basis sets showed a transition state at an N-O bond distance of 1.626Å in the form of a non-planar complex as shown in Figure 2.

1.401 1.274 MP2/6-311G(D,P) 1.408 1.282 MP2/cc-pVDZ 1.410 O 1.283 MP2/aug-cc-pVDZ O 110.3 O 105.8 110.0 1.626 105.6 109.6 1.626 104.7 1.626 1.169 1.174 1.174 1.177 1.179 1.184 N O

O 139.9 139.9 140.1 Fig. 1. The molecular and transition state geometrical (NO+ O3) parameters obtained at the MP2/6 311G(d,p), MP2/cc-pVDZ and MP2/aug-cc-pVDZ levels theory (bond lengths in Å, valence angles in degrees)

1.404 1.410 1.400 O 1.255 MP2/6-311G(D,P) 1.263 MP2/cc-Pvdz O 1.266 MP2/aug-cc-pVDZ 115.4 115.2 1.605 116.4 115.0 O 1.605 115.7 1.614 116.6 1.122 1.127 1.125 O N

Fig. 2. The molecular and transition state geometrical (NO2 +O3) parameters obtained at the MP2/6-311G(d,p), MP2/cc-pVDZ and MP2/aug-cc-pVDZ levels theory (bond lengths in Å, valence angles in degrees)

For reaction (1) NO + O3, Ea was calculated to be 1.1 kcal/mol for the 6-311G(d,p) basis set, 1.3 kcal/mol for the cc-pVDZ basis set and 2.2 kcal/mol for the aug-cc-pVDZ basis set. This compared reasonably well with the experimental Arrhenius activation energy of 1.2 kcal/mol. For reaction (2) NO2 + O3, Ea was calculated to be 8.7 kcal/mol for the 6-311G(d,p) basis set, 8.5 kcal/mol for the cc-pVDZ basis set and 8.2 kcal/mol for the aug-cc-pVDZ basis set, a factor of 4 higher than the experimental Arrhenius activation energy of 2.2 kcal/mol. 80 Justyna Jaroszyńska-Wolińska, Szymon Maliowski

Fig. 3. Potential energy vs. N-O distance for the reaction of O3 with NO modeled using the MP2 level of theory with three basis sets, 6-311G(d,p), cc-pVDZ and aug-cc-pVDZ

Fig. 4. Potential energy vs. N-O distance for the reaction of O3 with NO2 modeled using the MP2 level of theory with three basis sets, 6-311G(d,p), cc-pVDZ and aug-cc-pVDZ

3. Conclusions

The NOx – O3 reaction oxidation processes, well known at the molecular level, were modelled by ab initio quantum chemistry methods in an attempt to calculate the total reaction energy, Et, detect the presence of any transition states and to calculate the activation energy, Ea, of individual reactions. Numerical methods in understanding reaction pathways NOx oxidation 81

Application of the DFT quantum chemistry model indicates that all of the reactions:

NO + O3  NO2 + O2 (7)

NO2 + O3  NO3 + O2 (8)

NO2 + NO3  N2O5 (9)

2NO2 + O3  N2O5 + O2 (10) corrected for zero-point energy are exothermic with reaction energies ranging from -16.90 to – 62.31 kcal/mol. Application of the HF, MP2 and CCSD quantum chemistry models indicate the presence of intermediate or transition states in the initializing reactions of the overall reaction chain, namely reactions:

NO + O3  NO2 + O2 (11)

NO2 + O3  NO3 + O2 (12) Application of the MP2 quantum chemistry model with three different basis function sets and finer potential energy scan resolution shows the presence of transition states with defined structures and enables calculation of the activation energies, Ea, for chain initializing reactions (1) and (2) above.

Acknowledgements

We acknowledge support from Polish Ministry of Science and Higher Education within the statutory research number S/12/II B/2016.

References

1. PQS version 3.1, Parallel Quantum Solutions, 2013 Green Acres Road, Fayetteville, Arkansas 72703, USA. 2. Helgaker T., Jensen H.J.Aa., Joergensen P., Olsen J., Ruud K., Aagren H., Auer A.A., Bak K.L., Bakken V., Christiansen O., Coriani S., Dahle P., Dalskov E.K., Enevoldsen T., Fernandez B., Haettig C., Hald K., Halkier A., Heiberg H., Hettema H., Jonsson D., Kirpekar S., Kobayashi R., Koch H., Mikkelsen K.V., Norman P., Packer M.J., Pedersen T.B., Ruden T.A., Sanchez A., Saue T., Sauer S.P.A., Schimmelpfennig B., Sylvester-Hvid K.O., Taylor P.R., Vahtras O. Dalton, a molecular electronic structure program, Release 1.2, 2001. 3. Frisch J. et al. Gaussian 03, Revision V.05, M. Gaussian, Inc., Wallingford, CT, USA , 2004. 4. Jaroszyńska-Wolińska J., Kumar M., Quantum chemical modeling of the ozone –based NOx oxidation process. Proceedings of the 11th Annual International Symposium of the HAKONE, Oleron Island, France, 7-12 September 2008, Vol.2, pp. 402-407. 5. Jaroszyńska-Wolińska J., Garabato B. D., Alam J., Reza A., Kozłowski P.M. Structural and electronic properties of an [(Al2O3)4]+ cluster Journal of Molecular Modeling 21 2015 170-179.

Budownictwo i Architektura 15(3) (2016) 83-90

Analiza wybranych postępowań związanych z wydzielaniem gruntów nabytych z mocy prawa

Anna Trembecka

Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, e-mail: [email protected]

Streszczenie: Podstawowym kryterium dopuszczalności podziału nieruchomości na terenach innych niż rolne i leśne jest zgodność projektowanego podziału z planem miejscowym, a w przypadku braku planu – z ustaleniami decyzji o warunkach zabudowy i zagospodarowania terenu. Niezależnie od wskazanych dokumentów planistycznych, podział może nastąpić na ściśle określone cele. Jednym z nich jest wydzielanie gruntów, których własność lub użytkowanie wieczyste zostały nabyte z mocy prawa. Celem artykułu jest prezentacja i analiza przypadków, w których mamy do czynienia z nabyciem gruntów z mocy prawa, co uzasadnia dokonanie podziału nieruchomości bez względu na kryteria planistyczne. Przykładem są postępowania dotyczące nabycia przez podmioty publicznoprawne własności gruntów zajętych pod drogi publiczne, komunalizacji mienia, nabycia użytkowania wieczystego gruntów przez państwowe i komunalne osoby prawne (tzw. „uwłaszczenie”), uregulowania tytułu prawnego do gruntów przez przedsię- biorstwo PKP. W opracowaniu przedstawiono podstawy nabycia nieruchomości z mocy prawa, ich uwarunkowania, zakres oraz uprawnione podmioty. W praktyce często dokonywane są podziały nieruchomości niezależnie od ustaleń planistycznych, w celu regulacji stanu prawnego gruntów zajętych w przeszłości pod drogi publiczne. .Dlatego zagadnieniom tym poświęcono szczególną uwagę, wskazując zakres dokumentacji, liczbę wydanych decyzji orzekających o nabyciu nieruchomości przez Gminę Kraków i Skarb Państwa w analizowanym okresie, a także kwotę ustalonych odszkodowań dla właścicieli. Słowa kluczowe: podział nieruchomości, niezależnie od planu, nabycie z mocy prawa.

1. Wstęp

Podstawową przesłanką dopuszczalności podziału nieruchomości jest zgodność projektowanego podziału z ustaleniami planu miejscowego. Dotyczy to zarówno przeznaczenia terenu, jak i możliwości zagospodarowania wydzielonych działek gruntu. Jeżeli brak jest planu miejscowego (oraz brak obowiązku jego sporządzenia) wyma- gana jest zgodność projektu podziału z decyzją o ustaleniu lokalizacji inwestycji celu publicznego, lub decyzją o warunkach zabudowy, bądź niesprzeczność z przepisami odręb- nymi. Podział nieruchomości może także nastąpić niezależnie od kryteriów dopuszczalności zagospodarowania wydzielanych działek, wynikających z planu miejscowego albo z wymienionych decyzji [1]. Możliwość taka istnieje wówczas, gdy podział następuje w celach określonych w art. 95 ustawy o gospodarce nieruchomościami [2]. Jednym z nich jest wydzielenie części nieruchomości, której własność lub użytkowanie wieczyste zostały nabyte z mocy prawa. Nabycie nieruchomości z mocy prawa następuje na podstawie wielu przepisów [3], w trybie procedur administracyjnoprawnych. 84 Anna Trembecka

2. Postępowania dotyczące wydzielenia części nieruchomości, której własność lub użytkowanie wieczyste zostały nabyte z mocy prawa

W tych przypadkach nie wydaje się odrębnej decyzji o zatwierdzeniu podziału, lecz podział jest zatwierdzany decyzją dotyczącą nabycia prawa własności lub prawa użytkowa- nia wieczystego. Do postępowań, w ramach których następuje nabycie własności lub prawa użytkowania wieczystego można zaliczyć postępowania dotyczące regulacji stanu prawnego gruntów zajętych pod drogi publiczne oraz będących w posiadaniu PKP, komunalizacji mienia Skarbu Pastwa itp. 2.1. Postępowania dotyczące regulacji stanu prawnego gruntów zajętych pod drogi publiczne Przepis art. 73 ustawy z dnia 13 października 1998 r. Przepisy wprowadzające ustawy reformujące administrację publiczną [4] wprowadził możliwość uregulowania stanu prawnego gruntów zajętych w przeszłości pod drogi. Zgodnie z jego brzmieniem, podmioty publicznoprawne nabywają z mocy prawa nieruchomości, niestanowiące ich własności, zajęte w dniu 31 grudnia 1998 r. pod drogi publiczne. Zakres przedmiotowy tej normy prawnej dotyczy prawa własności nieruchomości, nie obejmuje natomiast prawa użytkowania wieczystego, co stanowi przeszkodę do uregulowania w oparciu o powyższe unormowania stanu prawnego tej kategorii nieruchomości, zajętych pod drogi publiczne. Jest to pewna niekonsekwencja ustawodawcy, który konstru- ując normę o charakterze wywłaszczeniowym zdecydował się objąć jej zakresem wyłącznie prawo własności, nie dając możliwości wywłaszczenia prawa użytkowania wieczystego [5]. W praktyce stanowi to istotne utrudnienie w procesie regulacji stanu prawnego np. dróg osiedlowych, wybudowanych na gruntach będących w użytkowaniu wieczystym spółdziel- ni mieszkaniowych. Przesłankami nabycia nieruchomości przez Skarb Państwa lub jednostki samorządu terytorialnego w oparciu o art. 73 cytowanej ustawy są:  brak tytułu własności Skarbu Państwa lub jednostki samorządu terytorialnego do gruntu zajętego pod drogę,  władanie w dniu 31 grudnia 1998 r. gruntem przez Skarb Państwa lub jednostki samorządu terytorialnego,  zajęcie gruntu pod drogę publiczną. Podstawą stwierdzenia, że Skarb Państwa lub jednostka samorządu terytorialnego nie były właścicielem nieruchomości na dzień 31 grudnia 1998 r. jest wypis z księgi wieczystej. Jednak z uwagi na nieaktualność wpisów w księgach wieczystych, w ramach przygo- towywania dokumentacji geodeta winien przeprowadzić dodatkową analizę w celu ustalenia rzeczywistego stanu prawnego nieruchomości zajętych pod drogę. Analiza ta obejmuje badanie dokumentów (np. decyzji wywłaszczeniowych,) stanowiących podstawę do ujawnienia prawa własności podmiotów publicznoprawnych. Należy także uwzględnić ewentu- alność przejścia własności nieruchomości z mocy prawa na rzecz Skarbu Państwa, na podstawie np. ustaw nacjonalizacyjnych [6]. Potwierdzeniem przejścia na rzecz Skarbu Państwa lub jednostki samorządu terytorialnego prawa własności nieruchomości, zajętej w dniu 31 grudnia 1998 r. pod drogę publiczną, jest decyzja wojewody wydana z urzędu lub na wniosek zarządcy drogi, lub zarządu drogi na podstawie pełnomocnictwa zarządcy drogi bądź właściciela nieruchomo- ści. Analiza wybranych postępowań związanych z ... 85

Wniosek zarządcy drogi lub zarządu drogi o wydanie decyzji powinien zawierać do- kumentację przedstawiającą przebieg drogi publicznej w dniu 31 grudnia 1998 r. oraz potwierdzającą stan prawny nieruchomości w tym [4]:  kopię mapy zasadniczej z określonym przebiegiem drogi na dzień 31 grudnia 1998 r.,  wyrys z mapy ewidencyjnej z określonym przebiegiem drogi na dzień 31 grudnia 1998 r.,  wypis z rejestru gruntów,  wypis z księgi wieczystej wg stanu na dzień 31 grudnia 1998 r.,  wypis z księgi wieczystej wg stanu aktualnego,  wykazy zmian gruntowych,  wykazy synchronizacyjne (w przypadku konieczności uzgodnienia oznaczenia nie- ruchomości między działem I księgi wieczystej a ewidencją gruntów i budynków),  projekt geodezyjnego podziału nieruchomości (w przypadku, gdy pod drogę zajęta jest część nieruchomości),  metrykę drogi,  oświadczenie zarządu drogi o zajętości pod drogę określonych nieruchomości. Jeżeli zakres zajętości drogi na dzień 31 grudnia 1998 r. obejmował jedynie część nie- ruchomości, zatwierdzenie podziału takiej nieruchomości dokonuje się w decyzji wojewody potwierdzającej nabycie prawa własności przez podmioty publicznoprawne. Wydanie decyzji wojewody poprzedzone jest sporządzeniem przez uprawnionego geodetę stosownej dokumentacji geodezyjnej w formie operatu podziału z uwzględnieniem m.in. przepisów rozporządzenia Rady Ministrów z dnia 7 grudnia 2004 r,. w sprawie sposobu i trybu doko- nywania podziałów nieruchomości [7]. Pomimo, iż analizowane uregulowania obowiązują od 17 lat, proces regulacji stanu prawnego gruntów zajętych pod drogi nie zakończył się. Z badań przeprowadzonych na terenie Krakowa wynika, że w okresie 2014 – 2015 r. Wojewoda Małopolski wydał 101 decyzji stwierdzających nabycie z mocy prawa przez Gminę Kraków i Skarb Państwa na podstawie art. 73 cyt. Ustawy, gruntów zajętych pod drogi (tabela 1). Pozwoliło to na uregulowanie stanu prawnego nieruchomości, na których w przeszłości urządzono drogi publiczne. W większości przypadków decyzje wojewody zatwierdzały jednocześnie podział nieruchomości w celu wydzielenia gruntów nabytych z mocy prawa.

Tabela 1. Ilość decyzji wydanych w okresie 2014 – 2015 r orzekających o nabyciu, z mocy prawa, przez Gminę Kraków i Skarb Państwa, gruntów zajętych pod drogi oraz wypłacone odszkodowania ilość decyzji wojewody kwota wypłaconych odszkodowań okres orzekających o nabyciu nieruchomości [mln zł] 2014 r. 59 4, 051 016 2015 r. 42 6,587 315 Razem 101 10, 638 331 źródło: opracowanie własne

Liczba decyzji jest porównywalna do okresu 2012-2013 r., w którym wojewoda wy- dał 108 decyzji orzekających o nabyciu nieruchomości. Natomiast kwota odszkodowania 10,6 mln zł jest zdecydowanie wyższa niż w okresie 2012-2013 r., w którym wypłacono jedynie 2,7 mln zł. Odszkodowanie z tytułu wywłaszczenia z mocy prawa nieruchomości zajętych w dniu 31 grudnia 1998 r. pod drogi publiczne jest ustalane i wypłacane według zasad 86 Anna Trembecka i trybu określonych w przepisach o odszkodowaniach za wywłaszczone nieruchomości, na wniosek właściciela nieruchomości, złożony w okresie od dnia 1 stycznia 2001 r. do dnia 31 grudnia 2005 r. Po upływie tego okresu roszczenie wygasa. Jest to odrębne postępowanie administracyjne, prowadzone przez starostę wykonują- cego zadania z zakresu administracji rządowej. Odszkodowanie ustala się na podstawie opinii sporządzonej przez rzeczoznawcę majątkowego, określającej wartość rynkową nieruchomości. Jeżeli ze względu na rodzaj nieruchomości nie można określić jej wartości rynkowej, gdyż tego rodzaju nieruchomości nie występują w obrocie, określa się jej war- tość odtworzeniową. Do wypłaty odszkodowania zobowiązane są: 1) gmina - w odniesieniu do dróg będących w dniu 31 grudnia 1998 r. drogami gmin- nymi, 2) Skarb Państwa - w odniesieniu do pozostałych dróg. W analizowanym okresie ustalono odszkodowanie w łącznej kwocie ok. 10,638 mln zł z tytułu nabycia przez Gminę Kraków oraz Skarb Państwa gruntów, na których w prze- szłości wybudowano drogi publiczne. 2.2. Postępowania dotyczące komunalizacji mienia Skarbu Państwa Podstawą komunalizacji mienia z mocy prawa jest art. 5 ust.1 i 2 ustawy z dnia 10 maja 1990 r. Przepisy wprowadzające ustawę o samorządzie terytorialnym i ustawę o pracownikach samorządowych [8]. Przepis ten stanowi, że mienie ogólnonarodowe (państwowe) należące do: 1) rad narodowych i terenowych organów administracji państwowej stopnia podsta- wowego, 2) przedsiębiorstw państwowych, dla których organy określone w pkt 1 pełniły funk- cję organu założycielskiego, 3) zakładów i innych jednostek organizacyjnych podporządkowanych organom okre- ślonym w pkt 1 stało się z dniem 27 maja 1990 r. z mocy prawa mieniem właściwych gmin. Ustawa ta wyróżnia dwa tryby przejęcia mienia państwowego przez gminy:  z mocy prawa (potwierdzeniem przejęcie mienia państwowego jest decyzja deklaratoryjna wojewody,)  w drodze aktu przekazania (na podstawie konstytutywnej decyzji wojewody). Komunalizacja z mocy prawa nastąpiła z dniem wejścia w życie w/w ustawy tj. z dniem 27 maja 1990 r. Nabycie przez gminy mienia z mocy prawa na podstawie art. 5 ust. 1 i 2 ustawy Prze- pisy wprowadzające ustawę o samorządzie terytorialnym i ustawę o pracownikach samo- rządowych, nie miało charakteru nabycia pierwotnego [9] i stanowiło w istocie uwłaszcze- nie gmin częścią mienia ogólnonarodowego (państwowego). Nabycie mienia mogło nastą- pić po wydaniu przez wojewodę decyzji w sprawie stwierdzenia nabycia mienia. Decyzja ta miała wprawdzie charakter deklaratoryjny, ale zawierała także element konstytutywny, ponieważ gmina może dysponować mieniem komunalnym dopiero wtedy, gdy decyzja wojewody stwierdzająca to nabycie jest ostateczna. Proces komunalizacji pomimo 26 lat obowiązywania stosownych regulacji prawnych nie zakończył się do chwili obecnej. Przykładowo w Krakowie w 2014 r. komunalizacją objęto 248 działek o łącznej powierzchni 66,4204 ha, natomiast w 2015 r. 197 działek o powierzchni 51,6552 ha.

Analiza wybranych postępowań związanych z ... 87

2.3. Postępowania dotyczące nabycia mienia przez powiaty i województwa samorządowe Podstawą nabycia mienia przez utworzone z dniem 1 stycznia 1999 r, powiaty i wo- jewództwa jest art. 60 ust. 1 ustawy z dnia 13 października 1998 r. Przepisy wprowadzające ustawy reformujące administrację publiczną [4]. W myśl tej normy mienie Skarbu Państwa będące we władaniu instytucji i państwowych jednostek organizacyjnych przejmowanych z dniem 1 stycznia 1999 r. przez jednostki samorządu terytorialnego na podstawie przepi- sów ustawy kompetencyjnej [9]. oraz przepisów tej ustawy stało się w tej dacie z mocy prawa mieniem właściwych jednostek samorządu terytorialnego (powiatów, województw), Nabycie mienia w tym trybie stwierdza wojewoda w drodze decyzji deklaratoryjnej. 2.4. Postępowania dotyczące regulacji stanu prawnego gruntów będących w posiadaniu PKP W myśl art. 34 ustawy z dnia z dnia 8 września 2000 r. o komercjalizacji, restrukturyzacji i prywatyzacji przedsiębiorstwa państwowego "Polskie Koleje Państwowe" [11] grunty będące własnością Skarbu Państwa, znajdujące się w dniu 5 grudnia 1990 r. w posiadaniu PKP, co do których PKP nie legitymowało się dokumentami o przekazaniu mu tych gruntów w formie prawem przewidzianej i nie legitymuje się nimi do dnia wykre- ślenia z rejestru przedsiębiorstw państwowych, stają się z dniem wejścia w życie ustawy (27 października 2000 r.), z mocy prawa, przedmiotem użytkowania wieczystego PKP. Nabycie praw przez PKP potwierdza wojewoda, w drodze decyzji, przy czym nie może ona naruszać praw osób trzecich. Ostateczna decyzja stanowi podstawę do ujawnienia w księdze wieczystej prawa użytkowania wieczystego PKP SA. 2.5. Postępowania dotyczące regulacji stanu prawnego gruntów prywatnych wchodzących w skład linii kolejowych Zgodnie z art. 37 a ustawy z dnia z dnia 8 września 2000 r. [11], grunty wchodzące w skład linii kolejowych, pozostające w dniu 28 lutego 2003 r. we władaniu PKP SA, niestanowiące własności Skarbu Państwa, jednostek samorządu terytorialnego lub PKP SA stają się z dniem 1 czerwca 2003 r. z mocy prawa własnością Skarbu Państwa za odszkodowaniem. Pod pojęciem „linii kolejowej” należy rozumieć drogę kolejową, mającą początek i koniec wraz z przyległym pasem gruntu, na którą składają się odcinki linii, a także budynki, budowle i urządzenia przeznaczone do prowadzenia ruchu kolejowego wraz z zajętymi pod nie gruntami [12]. Natomiast „przyległy pas gruntu” stanowią grunty wzdłuż linii kolejowych, usytuowane po obu ich stronach, przeznaczone do zapewnienia bezpiecznego prowadzenia ruchu kolejowego. Przepis zawarty w art. 37 a ustawy [11], w myśl którego grunty o nieuregulowanym stanie prawnym, wchodzące w skład linii kolejowych stały się z mocy prawa własnością Skarbu Państwa za odszkodowaniem, jest w istocie wywłaszczeniem z mocy prawa [13]. Do gruntów, które na mocy w/w uregulowań stały się własnością Skarbu Państwa, PKP SA przysługuje z mocy prawa z dniem 1 czerwca 2003 r. prawo użytkowania wieczystego i prawo własności budynków, lokali i innych urządzeń znajdujących się na tych gruntach. Nabycie prawa użytkowania wieczystego następuje bez wniesienia pierwszej opłaty. Nabycie praw przez Skarb Państwa oraz PKP potwierdza wojewoda, w drodze decyzji, przy czym nie może ona naruszać praw osób trzecich. Ostateczna decyzja stanowi podstawę do ujawnienia w księdze wieczystej prawa własności Skarbu Państwa i prawa użytkowania wieczystego PKP SA. 88 Anna Trembecka

2.6. Postępowania dotyczące uwłaszczenia państwowych i komunalnych osób prawnych Podstawowe znaczenie dla przemiany stosunków własnościowych w naszym kraju miała ustawa z dnia 29 kwietnia 1990 r. o zmianie ustawy o gospodarce gruntami i wy- właszczaniu nieruchomości [14], która zapoczątkowała proces uwłaszczeń państwowych i komunalnych osób prawnych. Uwłaszczenie państwowych i komunalnych osób prawnych oznacza wzmocnienie ich dotychczasowych uprawnień do gruntów oraz budynków, lokali i innych urządzeń. Polega ono na przekształceniu zarządu gruntem na prawo użytkowania wieczystego oraz zarządu budynkami, lokalami i innymi urządzeniami w prawo własności (art. 2 ust. 1-3 cyt. ustawy). Potwierdzeniem w/w przekształcenia, które nastąpiło z mocy prawa, jest decyzja deklaratoryjna właściwego organu. Od 1 stycznia 1998 r. uwłaszczenie państwowych i komunalnych osób prawnych dokonuje się na podstawie art. 200 ustawy o gospodarce nieruchomościami. Na podstawie przepisów uwłaszczeniowych gminne i państwowe osoby prawne naby- ły prawo użytkowania gruntów i własność budynków na nich położonych. W wymienionych przypadkach nabycie prawa własności lub użytkowania wieczystego następuje z mocy prawa, co potwierdza wojewoda wydając decyzję deklaratoryjną. Jeżeli nabycie dotyczy części nieruchomości, nie wydaje się odrębnej decyzji o zatwierdzeniu podziału, lecz sporządzana jest dokumentacja podziałowa stanowiąca załącznik do decyzji wojewody. Wg stanu na 1 stycznia 2016 r. na terenie Krakowa w użytkowaniu wieczystym gminnych osób prawnych były grunty Gminy Miejskiej Kraków o powierzchni 198 ha oraz w użytkowaniu wieczystym państwowych osób prawnych były grunty Skarbu Państwa o powierzchni 1418 ha.

3. Podsumowanie

Niezależnie od ustaleń planu miejscowego oraz decyzji o warunkach zabudowy i zagospodarowania terenu, podział może nastąpić na ściśle określone cele. Jednym z nich jest wydzielanie gruntów, których własność lub użytkowanie wieczyste zostały nabyte z mocy prawa. W opracowaniu przedstawiono postępowania dotyczące nabycia z mocy prawa wy- dzielonej części nieruchomości. Są to postępowania o charakterze administracyjnopraw- nym, w których organem rozstrzygającym w formie decyzji, jest właściwy miejscowo wojewoda. Decyzje te równocześnie zatwierdzają podział nieruchomości, dokonywany niezależnie od ustaleń planu miejscowego oraz decyzji o warunkach zabudowy. W praktyce procedura ta ma największe zastosowanie m.in. w procesie regulacji sta- nów prawnych dróg publicznych, wybudowanych w przeszłości na gruntach prywatnych. W opracowaniu przedstawiono zakres dokumentacji geodezyjno-prawnej dla celów nabycia gruntów, zajętych pod drogi w oparciu o art. 73 ustawy Przepisy wprowadzające ustawy reformujące administrację publiczną. Pomimo, iż uregulowania te obowiązują od 17 lat, proces regulacji stanu prawnego gruntów zajętych pod drogi nie zakończył się. Z przeprowadzonych badań wynika, że w okresie 2014 – 2015 r. Wojewoda Małopolski wydał 101 decyzji stwierdzających nabycie z mocy prawa przez Gminę Kraków i Skarb Państwa gruntów zajętych pod drogi. W analizowanym okresie ustalono odszkodowanie w łącznej kwocie 10,638 mln zł na rzecz właścicieli. Istotne znaczenie dla przemiany stosunków własnościowych w naszym kraju miał proces uwłaszczenia państwowych i komunalnych osób prawnych, który rozpoczął się Analiza wybranych postępowań związanych z ... 89 w 1990 r. Uwłaszczenie państwowych i komunalnych osób prawnych spowodowało nabycie przez te podmioty prawa użytkowania wieczystego w odniesieniu do 1418 ha gruntów Skarbu Państwa oraz 198 ha gruntów Gminy Kraków. Wydzielanie gruntów nabywanych z mocy prawa następuje także w postępowaniach dotyczących regulacji stanów prawnych gruntów, zajmowanych przez Polskie Koleje Państwowe.

Literatura

1. Wolanin M. Podział nieruchomości niezależnie od ustaleń planu miejscowego cz.I, Nierucho- mości, C.H.Beck, nr 9, wrzesień 2010 r. 2. Ustawa z dnia 21 sierpnia 1997 r. o gospodarce nieruchomościami. tj. Dz. U. z 2015 r. poz. 1774. 3. Wolanin M. Podział nieruchomości niezależnie od ustaleń planu miejscowego cz.II, Nierucho- mości, C.H.Beck, nr 10, październik 2010 r. 4. Ustawa z dnia 13 października 1998 r. Przepisy wprowadzające ustawy reformujące admini- strację publiczną. Dz.U. nr 133, poz. 872 ze zm. 5. Gdesz M., Trembecka A. Publiczne prawo nieruchomości dla geodetów. Gall, Katowice, 2013, 6. Gdesz M., Trembecka A. Regulowanie stanu prawnego nieruchomości pod drogi. Gall, Kato- wice, 2011. 7. Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 7 grudnia 2004 r., w sprawie sposobu i trybu dokony- wania podziałów nieruchomości. Dz.U. nr 268, poz. 2663. 8. Ustawa z dnia 10 maja 1990 r. Przepisy wprowadzające ustawę o samorządzie terytorialnym i ustawę o pracownikach samorządowych Dz.U. nr 32 poz. 191 ze zm. 9. Uchwała SN z dnia 29 lipca 1993 r., III CZP 64/93, OSNC 1993, nr 12, poz. 209. 10. Ustawa z dnia 24 lipca 1998 r. o zmianie niektórych ustaw określających kompetencje organów administracji publicznej – w związku z reformą ustrojową państwa. Dz. U. Nr 106, poz. 668 z późn. zm. 11. Ustawa z dnia z dnia 8 września 2000 r. o komercjalizacji, restrukturyzacji i prywatyzacji przedsiębiorstwa państwowego "Polskie Koleje Państwowe” Dz. U. nr 84, poz. 948 ze zm. 12. Ustawa o transporcie kolejowym Dz.U. z 2013 r. poz. 1594 ze zm. 13. Trembecka A. Gospodarka nieruchomościami. Teoria i praktyka. Wyd. AGH, 2015. 14. Ustawa z dnia 29 kwietnia 1990 r. o zmianie ustawy o gospodarce gruntami i wywłaszczaniu nieruchomości Dz.U. nr 79, poz. 464 ze zm.

Analysis of selected procedures associated with parceling out of land acquired by virtue of law

Anna Trembecka

AGH University of Science and Technology, 30-059 Kraków, Al. Mickiewicza 30, e-mail: [email protected]

Abstract: The basic criterion allowing for the subdivision of real estate other than ag- ricultural or forest land is compliance of the planned subdivision with the local plan or, in the absence of a plan, with the provisions of the zoning permit. Regardless of the mentioned planning documents, the subdivision may be carried out for specific purposes. One of them is parceling out of land whose ownership or perpetual usufruct have been acquired by virtue of law. 90 Anna Trembecka

This article aims to present and analyze the cases in which we deal with the acquisition of land by virtue of law, which justifies a subdivision of property, regardless of the planning criteria. The subdivision aimed at parceling out land whose ownership or perpetual usufruct have been acquired by virtue of law applies to such cases in which the legislature has legally parceled out a new property by specifying the entity who has acquired the rights to a part of the property, but there is a need to define boundaries of the acquisition. The examples include proceedings relating to the acquisition of land ownership occupied on 1 Janu- ary 1999 by public bodies for public roads, municipalization of State property, the purchase of perpetual usufruct of land and ownership of buildings as of 5 December 1990 by state and municipal legal persons having the right of management (the so-called “enfranchise- ment”), regulating the legal title to land by the PKP (Polish Railroads) company. The paper presents the basis for the acquisition of real estate by virtue of law, the conditions, scope and authorized entities. In practice, subdivisions of real estate are frequently carried out, regardless of the planning decisions, in order to regulate the legal status of land seized in the past for public roads. Therefore, special attention was paid to these issues. Basing on the research, the scope of the documentation for regulating the legal status of the land seized in the past for roads, the number of the issued decisions determining the acquisition of real estate by the Municipality of Krakow and the State Treasury in the analyzed period, and the determined amount of the compensation for the owners, were determined. The research material included the legal provisions, judicial decisions, the study conducted on the property of the Municipality of Krakow. Keywords: property subdivision, acquisition by virtue of law, proceedings. Budownictwo i Architektura 15(3) (2016) 91-98

Możliwości wykorzystania substratu jonitowego i archebakterii do wspomagania rozwoju roślin na gruntach jałowych

Mariola Chomczyńska1, Vladimir Soldatov2

1 Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Lubelska, e-mail: [email protected] 2 Instytut Chemii Fizycznej i Organicznej, Białoruska Narodowa Akademia Nauk, e–mail: [email protected]

Streszczenie: Przeprowadzone badania dotyczyły określenia możliwości wykorzystania substratu jonitowego i archebakterii do wspomagania rozwoju roślin na gruntach jało- wych (np. na nasypach dróg, skarpach mostów itp.). Realizacja badań wymagała przeprowadzenia doświadczenia wazonowego z kupkówką pospolitą jako gatunkiem testowym. Na potrzeby eksperymentu przygotowano dwie podstawowe serie podłoży: serię kontrolną – piasek (model jałowego gruntu) i serię stanowiącą mieszaninę piasku i 2% (objętościowo) dodatku substratu jonitowego (nośnik pierwiastków odżywczych roślin). W trakcie wegetacji roślin połowę liczby wazonów serii kontrolnej podlewano wodą wodociągową, natomiast drugą połowę podlewano wodą wodociągową wzbogaconą w archebakterie pocho- dzące z preparatu komercyjnego Arkea® firmy Archaea SolutionsTM. Analogicznie postą- piono z wazonami zawierającymi mieszaninę piasku z dodatkiem substratu jonitowego. Po zakończeniu doświadczenia stwierdzono, że dodatek substratu jonitowego do piasku korzystnie wpłynął na proces wzrostu i rozwoju roślin istotnie zwiększając wartości parame- trów wegetacyjnych. Wbrew oczekiwaniom nie zaobserwowano pozytywnego oddziaływa- nia drobnoustrojów z domeny Archeae na proces wegetacji gatunku testowego. Dodatek substratu jonitowego można polecić jako materiał wspomagający rozwój pokrywy roślinnej na terenach zdegradowanych i obiektach infrastruktury drogowej. Słowa kluczowe: substraty jonitowe, archebakterie, infrastruktura drogowa.

1. Wprowadzenie

Istnieje potrzeba wspomagania rozwoju szaty roślinnej na obiektach infrastruktury drogowej. Roślinność pełni tu funkcje techniczne (stabilizacja powierzchni nasypów, zabezpieczenia skarp przed rozmyciami podczas deszczów nawalnych), odgrywa rolę środowiskową i decyduje o walorach estetycznych. Z punktu widzenia inżynierii drogowej kluczowym problemem jest zapewnienie szybkiego rozwoju roślin z dobrze rozwiniętymi systemami korzeniowymi. W tym kontekście aplikacyjnym konieczne wydają się badania z wykorzystaniem syntetycznych wymieniaczy jonowych (jonitów). Jonity są polimerami o właściwościach jonowymiennych, które od wielu lat znajdują szerokie zastosowanie w oczyszczaniu wody głównie w procesach zmiękczania i demineralizacji. W pierwszej połowie ubiegło wieku pojawiła się również idea wykorzystania jonitów jako nośników pierwiastków odżywczych dla roślin [1]. Pomysł ten był stale rozwijany przez zespół badawczy z Białoruskiej Narodowej Akademii Nauk w Mińsku, co ostatecznie doprowadzi- 92 Mariola Chomczyńska, Vladimir Soldatov

ło do przygotowania substratów jonitowych o nazwie handlowej Biona®. Poszczególne rodzaje substratów jonitowych są mieszaninami kationitów i anionitów nasyconych w stosownych proporcjach jonami makro- i mikroelementów [2,3]. Wyniki wielu testów wykazały, że substraty jonitowe są doskonałymi podłożami umożliwiającymi uprawę roślin w zamkniętych ekologicznych systemach takich jak statki kosmiczne, stacje arktyczne czy okręty podwodne. Pozytywne rezultaty tych badań zainicjowały nową serię doświadczeń w Politechnice Lubelskiej nad wykorzystaniem substratów jonitowych w biologicznej rekultywacji gleb. W ich wyniku stwierdzono m.in., że dawka substratu jonitowego w ilości 1-2% obj. jest wystarczająca dla potrzeb nawożenia ubogich piaszczystych gleb [4]. Z uwagi na swoje właściwości substraty jonitowe można również polecić jako materiały intensyfikujące rozwój pokrywy roślinnej stabilizującej pobocza dróg czy skarpy mostów. W prezentowanym artykule przedstawiono badania, których celem było określenie jedno- czesnego wpływu substratu jonitowego i drobnoustrojów z domeny Archeae na przebieg wegetacji roślin. Badania te podjęto, aby przekonać się czy warto wspólnie stosować substraty jonitowe i archebakterie do poprawy właściwości gruntów, mając na uwadze doniesienia mówiące o możliwym pozytywnym oddziaływaniu tych mikroorganizmów na niektóre gatunki roślin.

2. Materiał i metody

Do badań jako podstawowe materiały wykorzystano: piasek, substrat jonitowy oraz preparat Arkea®. Piasek pozyskano w kopalni w Gołębiu/k. Puław (woj. lubelskie). Wartość pH piasku w H2Odest. wynosiła 6,01. Skład granulometryczny piasku oznaczony metodą dyfrakcji laserowej [5,6], przedstawiał się następująco: frakcja ziaren o średnicy 2-1 mm – 0%; 1-0,5 mm – 17,3%; frakcja 0,5-0,25 mm – 54,3%; frakcja 0,25-0,1 mm – 27,7%, frakcja 0,1-0,05 mm – 0,06%, frakcja poniżej 0,05 mm – 0,3%. Zawartości makro- i mikro- elementów w piasku podano w tabeli 1. Zasobność piasku w przyswajalne maro – i mikro- składniki oceniono jak bardzo niską (P, K, Mg), niską (Fe B, Mn, Cu, Zn, S-SO4) bądź niedostateczną dla roślin (Ca, N-NO3, N-NH4) na podstawie odpowiednich norm [7-14] i danych literaturowych [15-17].

Tabela 1. Zawartości makroelementów i mikroelementów w piasku użytym do doświadczania wegetacyjnego Forma Makroelementy [mg/100g] N P K Ca Mg S

Ekstrahowalna 0,014 N-NO3 0,20 0,19 0,204 0,065 0,093 S- H2O dest. 0,049 N-NH4 SO4 a b b c d Przyswajalna 0,128N-NO3 0,48 P 1,99 K 4,41 1,0 0,53 S- a e 0,198 N-NH4 (1,1 P2O5) (2,4 K2O) SO4 Mikroelementy [mg/kg] Cu Fe Mn Zn B Mo Przyswajalnaf 0,046 27,24 0,768 0,092 0,384 0,028

a b Objaśnienia: – zawartość po ekstrakcji 1% K2SO4, – zawartość po ekstrakcji 0,04 M (CH3CHOHCOO)2Ca, c d e – zawartość po ekstrakcji 0,03M CH3COOH, – zawartość po ekstrakcji 0,0125M CaCl2, – zawartość po f ekstrakcji 0,5M CH3COOH+0,25M CH3COONH4, – zawartość po ekstrakcji 1M HCl, zawartość przyswajalnego fosforu i potasu przeliczono na odpowiednie tlenki ponieważ ocenę zasobności gleb opracowano z uwzględnieniem tych związków. Możliwości wykorzystania substratu jonitowego ... 93

ło do przygotowania substratów jonitowych o nazwie handlowej Biona®. Poszczególne Wykorzystany w badaniach substrat jonitowy przygotowano na bazie sześciu form rodzaje substratów jonitowych są mieszaninami kationitów i anionitów nasyconych monojonowych to jest: azotanowej, fosforanowej, siarczanowej, potasowej, magnezowej w stosownych proporcjach jonami makro- i mikroelementów [2,3]. Wyniki wielu testów i wapniowej. Formy te otrzymano stosując kationit silnie kwaśny KU-2 oraz anionit poli- wykazały, że substraty jonitowe są doskonałymi podłożami umożliwiającymi uprawę roślin funkcyjny EDE-10P – oba jonity wyprodukowano w firmie Uralkhimplast, Ural Chemical w zamkniętych ekologicznych systemach takich jak statki kosmiczne, stacje arktyczne czy Company (Federacja Rosyjska). Zasobność substratu jonitowego w jony makroskładników okręty podwodne. Pozytywne rezultaty tych badań zainicjowały nową serię doświadczeń przedstawiono w tabeli 2. w Politechnice Lubelskiej nad wykorzystaniem substratów jonitowych w biologicznej Preparat Arkea® otrzymano od przedsiębiorstwa Soltech będącego polskim przedsta- rekultywacji gleb. W ich wyniku stwierdzono m.in., że dawka substratu jonitowego w ilości wicielem firmy Archeae Solutions Inc. (USA). Preparat ten był źródłem drobnoustrojów 1-2% obj. jest wystarczająca dla potrzeb nawożenia ubogich piaszczystych gleb [4]. z domeny Archeae. Skład preparatu ze względu na liczbę i rodzaj szczepów chroniony jest Z uwagi na swoje właściwości substraty jonitowe można również polecić jako materiały prawem patentowym. intensyfikujące rozwój pokrywy roślinnej stabilizującej pobocza dróg czy skarpy mostów. W prezentowanym artykule przedstawiono badania, których celem było określenie jedno- Tabela 2. Zawartości jonów makroelementów w substracie jonitowym [mval/100g] - - 2- 2+ 2+ + czesnego wpływu substratu jonitowego i drobnoustrojów z domeny Archeae na przebieg NO3 H2PO4 SO4 Ca Mg K wegetacji roślin. Badania te podjęto, aby przekonać się czy warto wspólnie stosować 23,64 23,64 108,31 183,86 32,98 18,84 substraty jonitowe i archebakterie do poprawy właściwości gruntów, mając na uwadze doniesienia mówiące o możliwym pozytywnym oddziaływaniu tych mikroorganizmów na Dla osiągnięcia celu badań przeprowadzono eksperyment wazonowy z kupkówką po- niektóre gatunki roślin. spolitą (Dactylis glomerata L.) jako gatunkiem testowym. Na potrzeby eksperymentu przygotowano dwie podstawowe serie podłoży: serię kontrolną (piasek) i serię stanowiącą 2. Materiał i metody mieszaninę piasku i 2% (objętościowo) dodatku substratu jonitowego. Połowę doniczek serii kontrolnej podlano wodą wodociągową natomiast drugą połowę podlano wodą wodo- Do badań jako podstawowe materiały wykorzystano: piasek, substrat jonitowy oraz ciągową wzbogaconą w archebakterie pochodzące z preparatu Arkea®. Analogicznie postą- preparat Arkea®. Piasek pozyskano w kopalni w Gołębiu/k. Puław (woj. lubelskie). Wartość piono z doniczkami zawierającymi mieszaninę piasku z dodatkiem substratu (tabela 3). pH piasku w H2Odest. wynosiła 6,01. Skład granulometryczny piasku oznaczony metodą Następnie do poszczególnych doniczek serii doświadczenia wysiano po 50 nasion kupków- dyfrakcji laserowej [5,6], przedstawiał się następująco: frakcja ziaren o średnicy 2-1 mm – ki pospolitej. Po 8 dniach od momentu wysiewu nasion, liczbę roślin ujednolicono do 28. 0%; 1-0,5 mm – 17,3%; frakcja 0,5-0,25 mm – 54,3%; frakcja 0,25-0,1 mm – 27,7%, Doświadczenie prowadzono w fitotronie, z fotoperiodem 13/11 h (dzień/noc) i natężeniem frakcja 0,1-0,05 mm – 0,06%, frakcja poniżej 0,05 mm – 0,3%. Zawartości makro- i mikro- światła na poziomie 11000 lx. Temperatura dzienna w pomieszczeniu wynosiła 25oC, elementów w piasku podano w tabeli 1. Zasobność piasku w przyswajalne maro – i mikro- a temperaturę nocną utrzymywano na poziomie 16oC. W trakcie wegetacji rośliny podlewa- składniki oceniono jak bardzo niską (P, K, Mg), niską (Fe B, Mn, Cu, Zn, S-SO4) bądź no odpowiednio: wodą wodociągową i wodą zawierającą archebakterie. Obecność drobnou- niedostateczną dla roślin (Ca, N-NO3, N-NH4) na podstawie odpowiednich norm [7-14] strojów w wodzie kontrolowano poprzez oznaczanie zawartości całkowitej suchej masy – i danych literaturowych [15-17]. SM i zawartości suchej masy organicznej – SMO. Średnie wartości tych parametrów w czasie trwania doświadczenia wyniosły: 456,1 mg/dm3 (SM) i 35,6 mg/dm3 (SMO). Tabela 1. Zawartości makroelementów i mikroelementów w piasku użytym do doświadczania wegetacyjnego Eksperyment zakończono w 42 dniu wegetacji. Pędy nadziemne roślin ścięto a korzenie o Forma Makroelementy [mg/100g] wyizolowano z podłoży. Świeżą i suchą (105 C) biomasę pędów nadziemnych i korzeni określono metodą wagową. Otrzymane wyniki posłużyły do obliczenia średnich wartości N P K Ca Mg S parametrów charakteryzujących proces wzrostu i rozwoju roślin w poszczególnych seriach Ekstrahowalna 0,014 N-NO3 0,20 0,19 0,204 0,065 0,093 S- eksperymentu (średnie arytmetyczne). Dla określenia istotności różnic między porównywany- H2O dest. 0,049 N-NH4 SO4  a b b c d mi średnimi zastosowano test t-Studenta ( = 0,05). W sytuacji, gdy test F Fishera-Snedecora Przyswajalna 0,128N-NO3 0,48 P 1,99 K 4,41 1,0 0,53 S- a e nie pozwalał na zastosowanie testu t-Studenta (brak zachowania warunku równości wariancji) 0,198 N-NH4 (1,1 P2O5) (2,4 K2O) SO4 w celu określenia istotności różnic między średnimi użyto testu v Aspin-Welcha [18,19]. Mikroelementy [mg/kg] Cu Fe Mn Zn B Mo Tabela 3. Charakterystyka serii podłoży doświadczenia wegetacyjnego Przyswajalnaf 0,046 27,24 0,768 0,092 0,384 0,028 Seria P PA P+S P+SA a b Ilość piasku [ml] 300 300 294 294 Objaśnienia: – zawartość po ekstrakcji 1% K2SO4, – zawartość po ekstrakcji 0,04 M (CH3CHOHCOO)2Ca, c d e Ilość substratu [ml] - - 6 6 – zawartość po ekstrakcji 0,03M CH3COOH, – zawartość po ekstrakcji 0,0125M CaCl2, – zawartość po f ekstrakcji 0,5M CH3COOH+0,25M CH3COONH4, – zawartość po ekstrakcji 1M HCl, zawartość przyswajal- Liczba doniczek 5 5 5 5 nego fosforu i potasu przeliczono na odpowiednie tlenki ponieważ ocenę zasobności gleb opracowano Objaśnienia: P – piasek podlewany wodą wodociągową, PA – piasek podlewany wodą wodociągową z uwzględnieniem tych związków. zawierającą archebakterie, P+S – mieszanina piasku i dodatku substratu jonitowego podlewana wodą wodociągową, P+SA – mieszanina piasku i dodatku substratu jonitowego podlewana wodą wodociągową zawierającą archebakterie. 94 Mariola Chomczyńska, Vladimir Soldatov 3. Wyniki i dyskusja

Uzyskane wyniki badań przedstawiono na rysunkach 1-4. Dodatek substratu jonitowego do piasku korzystnie wpłynął na proces wzrostu i rozwoju roślin istotnie zwiększając wartości parametrów wegetacyjnych. Świeża biomasa pędów uzyskana na podłożach z dodatkiem substratu jonitowego (serie P+S i P+SA) była prawie 30-krotnie większa niż w seriach kontrolnych (P i PA) – rys. 1. Sucha biomasa pędów kupkówki rosnącej na piasku wzbogaconym w dodatek substratu (z i bez archebakterii) przewyższała suchą biomasę pędów roślin serii kontrolnych o ponad 20 razy (rys. 2). Świeża i sucha biomasa korzeni uzyskana w seriach P+S i P+SA była, odpowiednio: ponad 8-krotnie i ponad 6-krotnie większa niż w seriach kontrolnych P i PA (rys. 3 i 4). Wielkości parametrów wegetacyjnych tj. świeżej i suchej biomasy pędów oraz korzeni roślin rosnących na piasku podlewanym wodą wodociągową o odpowiednio: 10%, 11%, 7% i 15 % przewyższały świeżą i suchą biomasę pędów oraz korzeni uzyskaną w serii PA, gdzie do podlewania roślin stosowano wodę wzbogaconą w archebakterie, aczkolwiek tylko w przypadku suchej biomasy korzeni różnica miedzy porównywanymi seriami była statystycznie istotna (rys. 1-4). Podobna tendencja zaistniała dla serii z dodatkiem substratu jonitowego bez i z wprowadzanymi archebakteriami. Wielkości świeżej i suchej biomasy pędów oraz korzeni kupkówki rosną- cej w serii P+S były większe w porównaniu do analogicznych parametrów uzyskanych w serii P+SA o nie więcej niż 7%, przy czym stwierdzone różnice nie były statystycznie istotne (rys. 1-4). Wbrew oczekiwaniom nie zaobserwowano zatem pozytywnego oddziały- wania drobnoustrojów z domeny Archeae na proces wegetacji gatunku testowego. Oczeki- wania te wynikały z informacji podawanych przez producenta preparatu Arkea® o poten- cjalnych mechanizmach pozytywnego oddziaływania drobnoustrojów z domeny Archeae na rośliny, obejmujących m.in. produkcję przez drobnoustroje substancji intensyfikujących wzrost roślin, czy degradację związków wydzielanych przez rośliny, które działają allelopa- tycznie lub autotoksycznie. Uzyskane przyrosty biomasy roślin po wprowadzeniu testowanego substratu jonitowego do piasku potwierdziły wcześniejsze obserwacje dotyczące skuteczności stosowania tego typu materiałów jako nośników pierwiastków odżywczych dla roślin. Przykładowo badania Chomczyńskiej [20] wykazały, że substrat Mp przygotowany z poużytkowych żywic jonowymiennych i wprowadzony do jałowego piasku spowodował ponad 5,5-krotny przyrost suchej biomasy pędów i prawie 4-krotny przyrost suchej biomasy korzeni roślin. W innych badaniach prowadzonych przez Wasąga i współpracowników [21] stwierdzono, iż dodatek substratu Biona®-111 do podłoża piaskowego zwiększył suchą biomasę pędów o ponad 1000% a suchą biomasę korzeni roślin o ponad 500%. Możliwości wykorzystania substratu jonitowego ... 95

3. Wyniki i dyskusja 8

7 Uzyskane wyniki badań przedstawiono na rysunkach 1-4. Dodatek substratu jonito- 6 wego do piasku korzystnie wpłynął na proces wzrostu i rozwoju roślin istotnie zwiększając wartości parametrów wegetacyjnych. Świeża biomasa pędów uzyskana na podłożach 5 z dodatkiem substratu jonitowego (serie P+S i P+SA) była prawie 30-krotnie większa niż 4 w seriach kontrolnych (P i PA) – rys. 1. Sucha biomasa pędów kupkówki rosnącej na piasku 3 wzbogaconym w dodatek substratu (z i bez archebakterii) przewyższała suchą biomasę 2 pędów roślin serii kontrolnych o ponad 20 razy (rys. 2). Świeża i sucha biomasa korzeni 1 uzyskana w seriach P+S i P+SA była, odpowiednio: ponad 8-krotnie i ponad 6-krotnie świeża świeża biomasa pędów [g/doniczka] 0 większa niż w seriach kontrolnych P i PA (rys. 3 i 4). Wielkości parametrów wegetacyjnych P PA P+S P+SA tj. świeżej i suchej biomasy pędów oraz korzeni roślin rosnących na piasku podlewanym serie podłoży wodą wodociągową o odpowiednio: 10%, 11%, 7% i 15 % przewyższały świeżą i suchą biomasę pędów oraz korzeni uzyskaną w serii PA, gdzie do podlewania roślin stosowano Rys. 1. Średnia świeża biomasa pędów kupkówki pospolitej w seriach doświadczenia wegetacyjnego. Średnie świeże biomasy pędów w seriach P+S i P+SA różnią się istotnie od średnich świeżych wodę wzbogaconą w archebakterie, aczkolwiek tylko w przypadku suchej biomasy korzeni biomas pędów w seriach P i PA; I – odchylenie standardowe różnica miedzy porównywanymi seriami była statystycznie istotna (rys. 1-4). Podobna tendencja zaistniała dla serii z dodatkiem substratu jonitowego bez i z wprowadzanymi 1,2 archebakteriami. Wielkości świeżej i suchej biomasy pędów oraz korzeni kupkówki rosną- cej w serii P+S były większe w porównaniu do analogicznych parametrów uzyskanych 1 w serii P+SA o nie więcej niż 7%, przy czym stwierdzone różnice nie były statystycznie istotne (rys. 1-4). Wbrew oczekiwaniom nie zaobserwowano zatem pozytywnego oddziały- 0,8 wania drobnoustrojów z domeny Archeae na proces wegetacji gatunku testowego. Oczeki- 0,6 wania te wynikały z informacji podawanych przez producenta preparatu Arkea® o poten- cjalnych mechanizmach pozytywnego oddziaływania drobnoustrojów z domeny Archeae na 0,4 rośliny, obejmujących m.in. produkcję przez drobnoustroje substancji intensyfikujących wzrost roślin, czy degradację związków wydzielanych przez rośliny, które działają allelopa- 0,2 tycznie lub autotoksycznie. biomasasucha pędów [g/doniczka] 0 Uzyskane przyrosty biomasy roślin po wprowadzeniu testowanego substratu jonito- P PA P+S P+SA wego do piasku potwierdziły wcześniejsze obserwacje dotyczące skuteczności stosowania serie podłoży tego typu materiałów jako nośników pierwiastków odżywczych dla roślin. Przykładowo Rys. 2. Średnia sucha biomasa pędów kupkówki pospolitej w seriach doświadczenia wegetacyjnego. badania Chomczyńskiej [20] wykazały, że substrat Mp przygotowany z poużytkowych Średnie suche biomasy pędów w seriach P+S i P+SA różnią się istotnie od średnich suchych bio- żywic jonowymiennych i wprowadzony do jałowego piasku spowodował ponad 5,5-krotny mas pędów w seriach P i PA; I – odchylenie standardowe przyrost suchej biomasy pędów i prawie 4-krotny przyrost suchej biomasy korzeni roślin. W innych badaniach prowadzonych przez Wasąga i współpracowników [21] stwierdzono, ® 5 iż dodatek substratu Biona -111 do podłoża piaskowego zwiększył suchą biomasę pędów 4,5 o ponad 1000% a suchą biomasę korzeni roślin o ponad 500%. 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5

świeża świeża biomasa korzeni [g/doniczka] 0 P PA P+S P+SA serie podłoży

Rys. 3. Średnia świeża biomasa korzeni kupkówki pospolitej w seriach doświadczenia wegetacyjnego. Średnie świeże biomasy korzeni w seriach P+S i P+SA różnią się istotnie od średnich świeżych biomas korzeni w seriach P i PA; I – odchylenie standardowe 96 Mariola Chomczyńska, Vladimir Soldatov

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0 sucha biomasa sucha korzeni [g/doniczka] P PA P+S P+SA serie podłoży

Rys. 4. Średnia sucha biomasa korzeni kupkówki pospolitej w seriach doświadczenia wegetacyjnego. Średnie suche biomasy korzeni w seriach P+S i P+SA różnią się istotnie od średnich suchych biomas korzeni w seriach P i PA; średnia sucha biomasa korzeni w serii P różni się istotnie od suchej biomasy korzeni w serii PA; I – odchylenie standardowe

4. Wnioski

Wyniki przeprowadzonych badań pozwoliły na sformułowanie następujących wnio- sków:  Testowany substrat jonitowy jest skutecznym dodatkiem nawozowym istotnie zwiększającym biomasę kupkówki pospolitej.  W warunkach eksperymentu mikroorganizmy z domeny Archeae nie wykazują pozytywnego oddziaływania na proces wegetacji gatunku testowego.  Substraty jonitowe można polecić jako materiały intensyfikujące rozwój pokrywy roślinnej działającej stabilizująco i poprawiającej estetykę na terenach zdegradowanych i obiektach infrastruktury drogowej.

Literatura

1. Arnon D.I., Grossenbacher K.A. Nutrient culture of crops with the use of synthetic ion- exchange materials. Soil Science 63 (1947) 159–182. 2. Soldatov V.S., Peryskina H.G., Horoshko R.P. Ionitovyje pocvy. Nauka i Technika, 1978. 3. Soldatov V.S., Peryskina H.G. Iskusstvennye pocvy dlja rastenij. Nauka i Technika, 1985. 4. Soldatov V.S., Pawłowski L., Szymańska M., Matusevich V.V., Chomczyńska M., Kloc E. Ion exchange substrate Biona-111 as an efficient mean of barren grounds fertilization and soils improvement. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 461 (1998) 425–436. 5. Sochan A., Bieganowski A., Ryżak M., Dobrowolski R., Bartmiński, P. Comparison of soil texture determined by two dispersion units of Mastersizer 2000. International Agrophysics 26 (2012) 99–102. 6. Ryżak M., Bartmiński P., Bieganowski A. Metody wyznaczania rozkładu granulometrycznego gleb mineralnych. Acta Agrophysica. Rozprawy i Monografie 4 (2009) 1–84. 7. Polska Norma, PN-R-04023: 1996. Analiza chemiczno-rolnicza gleby. Oznaczanie zawartości przyswajalnego fosforu w glebach mineralnych. 8. Polska Norma PN-R-04022: 1996. Analiza chemiczno-rolnicza gleby. Oznaczanie zawartości przyswajalnego potasu w glebach mineralnych. 9. Polska Norma PN-R-04021: 1994. Analiza chemiczno-rolnicza gleby. Oznaczanie zawartości przyswajalnego żelaza. Możliwości wykorzystania substratu jonitowego ... 97

10. Polska Norma PN-R-04020:1994. Analiza chemiczno-rolnicza gleby. Oznaczanie zawartości 0,7 przyswajalnego magnezu. 0,6 11. Polska Norma PN-93/R-04019. Analiza chemiczno-rolnicza gleby. Oznaczanie zawartości przyswajalnego manganu. 0,5 12. Polska Norma PN-93/R-04018. Analiza chemiczno-rolnicza gleby. Oznaczanie zawartości 0,4 przyswajalnego boru. 13. Polska Norma PN-92/R-04017. Analiza chemiczno-rolnicza gleby. Oznaczanie zawartości 0,3 przyswajalnej miedzi. 0,2 14. Polska Norma PN-92/R-04016. Analiza chemiczno-rolnicza gleby. Oznaczanie zawartości

0,1 przyswajalnego cynku. 15. Sady W. Nawożenie warzyw polowych. Wydawnictwo Plantpress, 2000. 0 sucha biomasa sucha korzeni [g/doniczka] 16. Motowicka-Terlak T., Terlak H., Witek T. Liczby graniczne do wyceny zawartości siarki w P PA P+S P+SA glebach i roślinach. Seria (P). IUNG Puławy, 1993. serie podłoży 17. Kacperska I., Oświęcimski W., Przeradzki D., Stojanowska J. Opracowanie zaleceń na-

wozowych w ogrodnictwie. Wydawnictwo SGGW, 2002. Rys. 4. Średnia sucha biomasa korzeni kupkówki pospolitej w seriach doświadczenia wegetacyjnego. 18. Czermiński J.B., Iwaszewicz A., Paszek Z., Sikorski A. Metody statystyczne dla chemików. Średnie suche biomasy korzeni w seriach P+S i P+SA różnią się istotnie od średnich suchych bio- PWN, 1992. mas korzeni w seriach P i PA; średnia sucha biomasa korzeni w serii P różni się istotnie od suchej 19. biomasy korzeni w serii PA; I – odchylenie standardowe Zgirski A., Gondko R. Obliczenia biochemiczne. PWN, 1998. 20. Chomczyńska M. Utylizacja zużytych jonitów do rekultywacji zdegradowanych utworów piaszczystych – badania modelowe. Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN 3 (2001) 4. Wnioski 1–112. 21. Wasąg H., Pawłowski L., Soldatov V.S., Szymańska M., Chomczyńska M., Kołodyńska M., Wyniki przeprowadzonych badań pozwoliły na sformułowanie następujących wnio- Ostrowski J., Rut B., Skwarek A., Młodawska G. Rekultywacja zdegradowanych gleb przez za- sków: stosowanie żywic jonowymiennych. Raport. Politechnika Lubelska, 2000.  Testowany substrat jonitowy jest skutecznym dodatkiem nawozowym istotnie zwiększającym biomasę kupkówki pospolitej.  W warunkach eksperymentu mikroorganizmy z domeny Archeae nie wykazują pozytywnego oddziaływania na proces wegetacji gatunku testowego. Application of ion exchange substrate  Substraty jonitowe można polecić jako materiały intensyfikujące rozwój pokrywy and Archaea organisms roślinnej działającej stabilizująco i poprawiającej estetykę na terenach zdegradowanych i obiektach infrastruktury drogowej. for enhanced plant development on barren grounds

1 2 Literatura Mariola Chomczyńska , Vladimir Soldatov 1 Faculty of Environmental Engineering, Lublin University of Technology, 1. Arnon D.I., Grossenbacher K.A. Nutrient culture of crops with the use of synthetic ion- e-mail: [email protected] exchange materials. Soil Science 63 (1947) 159–182. 2 Institute of Physical Organic Chemistry, Belarus National Academy of Science, 2. Soldatov V.S., Peryskina H.G., Horoshko R.P. Ionitovyje pocvy. Nauka i Technika, 1978. e–mail: [email protected] 3. Soldatov V.S., Peryskina H.G. Iskusstvennye pocvy dlja rastenij. Nauka i Technika, 1985. 4. Soldatov V.S., Pawłowski L., Szymańska M., Matusevich V.V., Chomczyńska M., Kloc E. Ion Abstract: The study was carried out to test the ability of improving plant growth by exchange substrate Biona-111 as an efficient mean of barren grounds fertilization and soils improvement. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 461 (1998) 425–436. ion exchange substrate and Archaea microorganisms on barren grounds (e.g. on road 5. Sochan A., Bieganowski A., Ryżak M., Dobrowolski R., Bartmiński, P. Comparison of soil ambankments, bridge slopes). To achieve this aim, a pot experiment with orchard grass texture determined by two dispersion units of Mastersizer 2000. International Agrophysics 26 (Dactylis glomerata L.) as the test species was performed. For the needs of the test two (2012) 99–102. media series were prepared: the control – sand (model of barren ground) and mixture of 6. Ryżak M., Bartmiński P., Bieganowski A. Metody wyznaczania rozkładu granulometrycznego sand with 2% v/v addition of ion exchange substrate (carrier of nutrients for plants). During gleb mineralnych. Acta Agrophysica. Rozprawy i Monografie 4 (2009) 1–84. plant growth half of the pots in the control series was watered with tap water while the other 7. Polska Norma, PN-R-04023: 1996. Analiza chemiczno-rolnicza gleby. Oznaczanie zawartości half was watered with tap water enriched with Archaea organisms eluted from Arkea® przyswajalnego fosforu w glebach mineralnych. substrate (the product of Archaea SolutionsTM). Pots containing the mixture of sand with ion 8. Polska Norma PN-R-04022: 1996. Analiza chemiczno-rolnicza gleby. Oznaczanie zawartości exchange substrate were treated in the same way. After finishing the experiment, it was przyswajalnego potasu w glebach mineralnych. 9. Polska Norma PN-R-04021: 1994. Analiza chemiczno-rolnicza gleby. Oznaczanie zawartości stated that the addition of ion exchange substrate to sand affected plat growth advantageous- przyswajalnego żelaza. ly increasing values of vegetative parameters significantly. Contrary to expectation, the 98 Mariola Chomczyńska, Vladimir Soldatov positive effect of Archaea microorganisms on growth of test species was not observed. The ion exchange substrate can be recommended as mean improving plant development on degraded soils and road infrastructure facilities. Keywords: ion exchange substrate, Archaea organisms, road infrastructure facilities. Budownictwo i Architektura 15(3) (2016) 99-106

Analiza rozwiązań złożonych mostków termicznych pod względem udoskonalania ich parametrów cieplnych

Sylwia Kulczewska, Walery Jezierski

Zakład Podstaw Budownictwa i Fizyki Budowli, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Politechnika Białostocka, e–mail: [email protected], [email protected].

Streszczenie: Artykuł dotyczy analizy rozwiązań złożonych mostków termicznych, występujących w węzłach mocujących elewacji wentylowanych oraz sposobu ich uwzględ- niania w obliczeniach cieplnych. Na podstawie tej analizy wykryto szereg czynników, które mogą wpływać na parametry cieplne mostków termicznych, jednak nie są one odzwiercie- dlone we wzorach z aktualnych norm. W związku z tym należy szukać nowych podejść i zależności, które w sposób precyzyjny pozwolą określić parametry fizyko-techniczne podobnych węzłów mocujących. Słowa kluczowe: mostki termiczne, złożone mostki termiczne, parametry cieplne przegród, efektywność energetyczna.

1. Wprowadzenie

Mostek termiczny to miejsce w przegrodzie budowalnej o znacznie wyższej wartości współczynnika przewodzenia ciepła w stosunku do jej pozostałej części. W miejscach występowania mostków dochodzi do wzmożonego i niekontrolowanego przenoszenia ciepła. Dodatkowo, przy różnicy temperatur na zewnątrz i wewnątrz budynku mamy do czynienia z miejscowym wychładzaniem przegrody, co może spowodować przy niskich temperaturach zewnętrznych spadek temperatury na powierzchni wewnętrznej ściany poniżej punktu rosy. Zjawisko to sprzyja wykraplaniu się kondensatu na powierzchni wewnętrznej ścian w budynkach oraz niesie ryzyko rozwoju pleśni i grzybów w dalszym etapie. Można więc z pewnością stwierdzić, że mostki termiczne mają negatywny wpływ zarówno na ochronę cieplną oraz stan wilgotnościowy przegród. Mostki cieplne najczęściej występują w węzłach konstrukcyjnych a przyczyną ich powstawania są zazwyczaj błędy projektowe i wykonawcze. Należy pamiętać, że kiedy już powstaną, są one bardzo trudne do usunięcia. Dlatego warto zadbać o osłabienie ich negatywnego wpływu lub całkowitą eliminację już na etapie projektowania. Przy rozwiązywa- niu tego problemu konieczne jest zastosowanie kształtowania materiałowego poszczegól- nych elementów składowych węzła tak, aby zredukować do minimum wpływ mostka na parametry cieplno-wilgotnościowe budynku. W przypadku istniejącego obiektu znalezienie miejsc o wzmożonej ucieczce ciepła należy rozpocząć od analizy projektu budowlanego. Analiza ta jednak nie daje pewności, że podczas realizacji budynku nie pojawiły się mostki cieplne. Aby sprawdzić, czy one wystę- pują przeprowadza się badanie termowizyjne, które polega na wykonaniu za pomocą kamery termowizyjnej w pasmie promieniowania podczerwonego serii zdjęć (termogra- mów) elewacji budynku. Na termogramach przegród zewnętrznych, przy wykorzystaniu kolorów, oznaczane są miejsca charakteryzujące się różną temperaturą. Im temperatura w danym miejscu przegrody jest wyższa, tym większe straty ciepła. W przypadku wystę- powania mostków termicznych mamy do czynienia z lokalnym wzrostem temperatury na 100 Sylwia Kulczewska, Walery Jezierski powierzchni zewnętrznej przegrody [1]. Dzięki takiemu badaniu można znaleźć miejsca, w których występują mostki termiczne a następnie podjąć działania mające na celu osłabie- nie ich negatywnego wpływu na budynek. W przypadku mostków o prostej budowie działania te mogą okazać się dość łatwe. Problem zaczyna się w przypadku mostków o skomplikowanym układzie, ponieważ parametry cieplne przegrody zależą wówczas od wielu elementów tego mostka. W zależności od ilości i właściwości elementów składowych danego mostka można określić stopień jego złożoności. Jako złożone mostki termiczne można uznać takie, które wykonane są z dużej liczby elementów składowych o bardzo zróżnicowanych wartościach współczynnika przewodzenia ciepła i przebijających na wylot warstwę termoizolacyjną przegrody. Opracowanie podejścia do oszacowania parametrów takich mostków jest zagadnieniem aktualnym, między innymi ze względu na wprowadzanie coraz ostrzejszych wymagań dotyczących ochrony cieplnej budynków. Niewątpliwie minimalizacja lub całkowita likwidacja negatywnego wpływu mostków przyczyni się do poprawy efektywności energetycznej budynku. Biorąc pod uwagę problem dzisiejszego świata, którym jest nadmierne zużycie energii a tym samym zagrożenie wyczerpania surowców energetycznych, niezbęd- ne jest dokonanie wszelkich możliwych działań, które przyczynią się do poprawy osłabio- nych miejsc w przegrodach budowlanych. W niniejszym artykule przedstawiono analizę charakterystycznych oraz często spoty- kanych mostków termicznych o skomplikowanej konfiguracji i rozwiązaniach materiało- wych, z wyszczególnieniem parametrów geometrycznych i fizyko-technicznych mogących stanowić czynniki istotne wpływające na parametry cieplne mostków termicznych.

2. Przykłady złożonych mostków termicznych

Złożonymi mostkami termicznymi można nazwać węzły mocujące w elewacjach wentylowanych. Podstawą tego rodzaju elewacji jest stelaż nośny zakotwiony w części konstrukcyjnej przegrody. Konstrukcja stelaża wraz z elementami mocującymi przebija na wylot warstwę izolacji termicznej ściany powodując powstanie mostka. Mostek termiczny tego typu występuje na przykład w systemie mocowania elewacyj- nego oferowanego przez firmę COPAL [2] (Rys.1). System ten wykorzystywany jest między innymi do montażu płyt włókno-cementowych, które znajdują duże uznanie u inwestorów i architektów dzięki możliwościom kreowania nowoczesnego wyglądu elewacji budynku oraz dobrym parametrom cieplno-wilgotnościowym [3]. Głównym elementem tego rozwiązania jest konstrukcja aluminiowa, która dzięki odpowiednim elementom mocującym zakotwiona jest w części nośnej przegrody. System składa się z konsoli pojedynczej i podwójnej COPAL, podkładki termoizolacyjnej, profili nośnych T oraz L, kotwy montażowej oraz łączników scalających poszczególne elementy podkonstrukcji. Przy zastosowaniu konsoli COPAL można uzyskać wysięg elewacji w stosunku do ściany budynku od 100 mm do 220 mm. Płyty włókniste mocowane są do rusztu zazwyczaj za pomocą nitów. Zastosowanie odpowiednich elementów i akcesoriów systemu pozwala na elastyczne konstruowanie elewacji wentylowanych, które coraz czę- ściej pojawiają się w budownictwie [2]. Innym przykładem występowania złożonego mostka termicznego może być węzeł mocujący systemu fasad Vetisol Cristo [4] (rys. 2.) oferowanego przez firmę Vetisol. System ten oparty jest o pionową konstrukcję szkieletową wykonaną z metalowych kształ- towników, do których mocowana jest sieć poziomych listew aluminiowych.

Analiza rozwiązań złożonych mostków termicznych ... 101

Rys. 1. Konstrukcja wentylowanej elewacji z pionowym układem listew mocujących. 1 – płyta włóknisto- cementowa gr. 8 mm, 2 – taśma EPDM, 3 – izolacja termiczna z welonem, 4 – nit mocujący, 5 – ścia- na konstrukcyjna, 6 – szczelina wentylacyjna (20-50 mm), 7 – element rusztu, podkonstrukcja aluminiowa, np. teownik, 8 – kotwa mocująca, 9 – wkręt, 10 – element rusztu, konsola aluminiowa, 11 – podkładka termoizolacyjna [3]

Rys. 2. Konstrukcja wentylowanej elewacji Vetisol z poziomym układem listew mocujących. 1 – płyta VETISOL CRISTO, 2 – listwa montażowa, 3 – izolacja termiczna z welonem, 4 – śruba mocująca, 5 – ściana konstrukcyjna, 6 – szczelina wentylacyjna, 7 – element rusztu (kapelusz), 8 – kotwa mocująca, 9 – wkręt i śruby blokujące, 10 – element rusztu, zaczep kątowy [4]

W systemie tym wykorzystywane są firmowe okładziny elewacyjne (grubości 14 mm lub 20 mm) wykonane z kruszywa marmurowego i żywicy poliestrowej. Okładziny mocowane są za pomocą odpowiednich śrub do poziomych listew montażowych szkieletu konstrukcyjnego. Pionowe kształtowniki stalowe, które stanowią główny element elewacji otrzymywane są metodą gięcia stali ocynkowanej ogniskowo. Elementy te mają na ogół przekrój w kształcie kapelusza. Główne rygle pionowe mocowane są na zaczepach kąto- wych przy pomocy wkrętów i dwóch śrub blokujących [4]. Kolejnym przykładem złożonego mostka termicznego może być węzeł mocujący systemu fasad Vespol Fix opracowany przez firmę Vespol [5], którego schemat przedstawiono na rysunku 3. 102 Sylwia Kulczewska, Walery Jezierski

Rys. 3. Konstrukcja wentylowanej elewacji Vespol FIX z zamkniętymi profilami mocującymi. 1 – płyta elewacyjna, 2 – trzpień, 3 – łącznik płyty elewacyjnej, 4 – przedłużenie rektyfikacyjne, 5 – śruba sa- mowkrętna, 6 – kotwa podstawowa nośna, 7 – kołek rozporowy, 8 – profil nośny, 9 – izolacja, 10 – pustka powietrzna [5]

Podstawowym elementem tego systemu jest ruszt nośny wykonany z zamkniętych profili aluminiowych o rozmiarach 40/20, 50/30, 60/20 i stalowych nierdzewnych sworzni o dł. 150 mm i średnicy 6 mm służących do zawieszenia okładziny. Okładziny wykonywane są głównie z kamieni naturalnych (granit, marmur) lub sztucznych (gres, laminat). Rozmieszczenie sworzni oraz profili rusztu jest zależne od rozmiarów okładziny. Elementy rusztu przymocowane są do podłoża (ściany) poprzez aluminiowe kotwy [5]. Można zauważyć, że wszystkie przedstawione węzły mocujące elewacji wentylowanych charakteryzują się złożoną budową. W każdym systemie została również przebita na wylot przez stelaż nośny warstwa termoizolacyjna, co powoduje powstaje niejednorodności zarówno konstrukcyjnej jak i cieplnej danej przegrody.

3. Uwzględnienie mostków termicznych w obliczeniach cieplnych

Mostki termiczne należy oszacować w aspekcie ich wpływu na stan termiczny przegrody. W tym celu należy podać rozkład temperatur w obszarze jego występowania, okre- ślić temperatury na powierzchni wewnętrznej przegrody tworzącej mostek oraz zbadać straty ciepła przez mostek. Należy pamiętać, że straty ciepła spowodowane istnieniem w złączach mostków termicznych mogą stanowić ważną część bilansu energetycznego i nie należy ich pomijać przy ocenie efektywności energetycznej budynku [6]. Podstawowym parametrem charakteryzującym przegrodę jest wartość współczynnika przenikania ciepła U [W/(m2K)]. Obliczeniowe wyznaczenie tego parametru w praktyce wymaga pewnej korekty poprzez uwzględnienie poprawek. W przypadku złożonych mostków termicznych występujących w elewacjach wentylowanych istotne znaczenie ma wpływ łączników mechanicznych. Wg normy PN-EN ISO 6946:2008 [7] uwzględnienie tego rodzaju łączników w sposób uproszczony można określić na podstawie wzoru:

 An R  f ff 1 2 U f ,  W / m K (1) dRo Th, gdzie:  = 0,8 – jeżeli łącznik całkowicie przebija warstwę izolacji;  = 0,8d1/do – w przypadku łącznika wpuszczonego w izolację, czyli przebijającego izolację na części grubości tej warstwy; f – współczynnik przewodzenia cieplna materiału łącznika [W/(mK)]; nf – liczba Analiza rozwiązań złożonych mostków termicznych ... 103

2 2 łączników na 1m ; Af – pole przekroju poprzecznego jednego łącznika [m ]; do – grubość warstwy izolacji cieplnej przebitej przez łącznik [m]; d1 – długość łącznika przechodzącego przez izolację cieplną [m]; R1 – opór cieplny warstwy izolacji cieplnej przebitej przez 2 łącznik [m K/W]; RT,h – opór cieplny przegrody z pominięciem wpływu mostków cieplnych [m2K/W]. Uwzględnienie złożonych mostków termicznych na podstawie tego wzoru wprowadza pewne niedokładności. W przedstawionych mostkach w elewacjach wentylowanych warstwa termoizolacji w każdym przypadku jest przebita całkowicie przez łącznik, który następnie zakotwiony jest w ścianie nośnej. Przyjęcie parametru  = 0,8 nie uwzględnia zmian średnicy użytego łącznika, która niewątpliwe wpływa na parametry mostka. Oprócz kotwy w przedstawionych mostkach termicznych występują elementy dodatkowe, które również przebijają warstwę termoizolacji a tym samym pogorszają parametry węzła. Przy dokładnym wyznaczaniu parametrów mostka należałoby określić głębokość zakotwienia łącznika w elemencie konstrukcyjnym, która zależy między innymi od wytrzymałości materiału ściany oraz długości kołka. W zależności (1) nie podano także współczynnika przewodzenia ciepła innych materiałów elementów węzłów mocujących oprócz łącznika. Dodatkowo wzór 1 nie uwzględnia konfiguracji elementów całego węzła i ich parametrów geometrycznych. Tak więc można zauważyć, że uproszczona metoda opisująca wpływu mostków wg normy [7] jest niewystarczająca aby określić wpływ parametrów wszystkich elementów mocujących. Z pewnością takie oszacowanie wpływu łączników na parametry mostka obarczone jest dość dużym błędem. Bardziej dokładne podejście obliczeniowe przedstawione jest w normie PN-EN ISO 10211 [8]. W celu pełnej oceny wpływu mostka na stan cieplno-wilgotnościowy przegrody należy wyznaczyć jego podstawowe, charakterystyczne parametry. Indywidualną cechą liniowego mostka cieplnego jest wartość współczynnika ψ. Dla niektórych typów mostków parametr ten jest podany w różnych katalogach lub normie PN-EN 14683 [9]. Jednak wartości ψ określone w ten sposób są mało precyzyjne, gdyż katalogi i normy podają jedynie wartości orientacyjne. Lepszą metodą określenia parametrów mostka są metody komputerowe. W przypadku mostków punktowych (typu 3D), które występują w węzłach izolacji wentylowanych, wielkością opisującą ich wpływ na całkowity strumień ciepła jest punktowy współczynnik przenikania ciepła χ. Określany jest zazwyczaj przy wykorzystaniu obliczeń numerycznych lub analiz komputerowych, indywidualnie dla każdego mostka [6]. Wartość χ na podstawie normy [8] wyznacza się wg zależności:

N j Ni    χL3d ψ jj lA U i i ,  W/K (2) ji11

gdzie: L3d = L – strumień ciepła płynący przez badane złącze 3D [W/K]; j – liniowy współczynnik przenikania ciepła j-tej płaskiej gałęzi trójwymiarowego złącza [W/(mK)]; lj – długość, do której stosuje się wartość j, [m]; Ui – współczynnik jednowymiarowego 2 przenikania ciepła oddzielające dwa równoważne środowiska [W/(m K)]; Ai – powierzch- 2 nia, do której się stosuje wartość Ui, [m ]; Nj – liczba liniowych współczynników przenikania ciepła w złączu; Ni – liczba współczynników przenikania ciepła. Obliczenia w tej metodzie wykonywane są głównie przy wykorzystaniu metod komputerowych z uwzględnieniem zaleceń zawartych w normie [8]. Przy projektowaniu należy odpowiednio określić granice geometryczne i podziały modelu, cieplne warunki brzegowe oraz wartości parametrów cieplnych i zależności, z których należy korzystać przy ocenie całkowitych strat ciepła w budynku. 104 Sylwia Kulczewska, Walery Jezierski

W literaturze przedmiotu [10] można znaleźć porównanie dokładnych metod uwzględnienia punktowych mostków termicznych [8] za pomocą modelowania komputerowego z metodami uproszczonymi [7]. Z przeprowadzonych przez autorów obliczeń wynika, że wpływ punktowych mostków termicznych związanych z łącznikami mechanicznymi na całkowitą wartość współczynnika przenikania ciepła U przegrody nie powinien być pomijany zarówno na etapie projektowania jak i przy analizach izolacyjności cieplnej. Otrzymane wyniki za pomocą metod komputerowych z pewnością są dużo do- kładniejsze niż w metodzie uproszczonej, jednak to podejście jest pracochłonne i zajmuje bardzo dużo czasu. Dodatkowo wymaga od użytkownika dużej wiedzy, umiejętności obsługi i dostępności programu komputerowego. W każdym razie nie ma pewności, że mostek zostanie odpowiednio zamodelowany, tak aby program mógł uwzględnić wszystkie elementy składowe węzła, które wpływają na jego parametry cieplne.

4. Określenie czynników, które mogą wpływać na parametry cieplne budynku

Na przykładzie trzech mostków określono czynniki, które mogą wpływać na całkowi- tą wartość współczynnika przenikania ciepła mostka i które z puntu widzenia autorów należy uwzględniać w obliczeniach cieplnych. Zestaw tych czynników został określony po analizie rozwiązań wybranych mostków termicznych. Jak okazało się w analizowanych węzłach wykryto aż 16 możliwych czynników. Ich wartości zestawiono w tabeli nr1.

Tabela 1. Badane czynniki trzech typów złożonych mostków termicznych Nr Wartości: Nazwa czynnika czynnika Mostek 1 Mostek 2 Mostek 3 Panel elewacyjny 1 Współczynnik przewodzenia ciepła, W/(mK) 0,3 0,25 0,20 2 Grubość, m 0,008 0,014 0,02 Wentylowana pustka powietrzna 3 Wymiar charakterystyczny, m 0,02 0,03 0,03 Izolacja termiczna 4 Współczynnik przewodzenia ciepła, W/(mK) 0,040 0,40 0,40 5 Grubość, m 0,15 0,15 0,15 Konstrukcyjna warstwa ściany 6 Współczynnik przewodzenia ciepła, W/(mK) 0,33 0,33 0,33 7 Grubość, m 0,25 0,25 0,25 Stelaż nośny 8 Współczynnik przewodzenia ciepła, W/(mK) 200 200 200 9 Grubość, m 0,0015 0,0015 0,0015 10 Wymiary podstawy wspornika mocującego, m 0,04x0,04 0,05x0,06 0,04x0,02 Przekładka izolacyjna 11 Współczynnik przewodzenia ciepła, W/(mK) 0,04 0,04 0,04 12 Grubość, m 0,00 0,00 0,00 Kołek rozporowy 13 Średnica, m 0,008 0,0055 0006 14 Głębokość zakotwienia, m 0,05 0,06 0,05 15 Rozstaw kołków, m 0,40 0,40 0,40 16 Współczynnik przewodzenia ciepła, W/(mK) 58 58 58

Jak widać z tabeli 1 podane czynniki charakteryzują właściwości cieplne i techniczne materiałów oraz geometryczne cechy elementów tworzących węzeł mocujący. Na podsta- Analiza rozwiązań złożonych mostków termicznych ... 105 wie tych danych dokonywane będą dalsze rozważania w celu określenia spośród zapropo- nowanych czynników istotnych i nieistotnych dla parametrów cieplnych całego mostka.

5. Podsumowanie

Wymienione metody normowe pod względem ich zastosowania do oceny wpływu złożonych mostków termicznych na parametry cieplne przegrody nie są doskonałe. Z jednej strony uwzględniają one małą ilość czynników wpływających na właściwości cieplne przegrody. Z drugiej strony przy zastosowaniu modelowania komputerowego wymagają one dużych nakładów pracy, czasu oraz odpowiednich umiejętności użytkownika. Stopień dokładności opisanych metod może być sprawdzony eksperymentalnie lub za pomocą modelu pól temperaturowych z zastosowaniem współczesnych programów komputerowych 2D i 3D do analizy mostków punktowych. Jednak przy zachowaniu wysokiej dokładności obliczeń wymienionych metod nie dają one możliwości przeprowadzenia pełnej optymali- zacji parametrów elementów składowych mostków oraz wykonania kształtowania materia- łowego elementów pod kątem obniżenia wpływu mostków na pole temperaturowe przegrody. Analizy te będą przedmiotem dalszych rozważań naukowych autorów.

Literatura

1. Węglarz A., Sposoby wykrywania mostków termicznych. http://obudowaniu.pl/sposoby_wykrywania_mostkow_cieplnych.html [data dostępu 20.01.2016] 2. Systemy elewacyjne. Podkonstrukcje aluminiowe pod elewacje wentylowane; Płyty elewacyjne. www.copal.com.pl [data dostępu 03.03.2016]. 3. Schabowicz K., Szymków M. Elewacje wentylowane z płyt włóknisto-cementowych w ujęciu prawnym. Izolacje 9 (2015) 60-65. 4. Fasady VETISOL. Dokumentacja on-line, www.vetisol.pl [data dostępu 03.03.2016]. 5. Systemy fasad Vespol. www.vespol.com.pl [data dostępu 03.03.2016]. 6. Dylla A. Fizyka cieplna budowli w praktyce. PWN, Warszawa 2015, s.120-170. 7. PN-EN ISO 6946:2008, Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania. 8. PN-EN ISO 10211:2007, Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe. 9. PN-EN ISO 14683:2008, Mostki cieplne w budynkach. Liniowy współczynnik przenikania ciepła. Metody uproszczone i wartości orientacyjne. 10. Steidl T., Krause P. Punktowe mostki cieplne na etapie projektowania i oceny energetycznej budynków ogrzewanych. Materiały Budowlane 1 (2012) 57-62. 106 Sylwia Kulczewska, Walery Jezierski

The analysis of complex thermal bridges solutions in terms of improving their thermal parameters

Sylwia Kulczewska, Walery Jezierski

Department of Basic Building Construction and Building Physics, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Bialystok University of Technology, e–mail: [email protected], [email protected]

Abstract: The article presents the analysis of complex thermal bridges solutions which occur in the fixing nodes of ventilated facade and the way of taking into consideration them in thermal calculations. On the basis of this analysis, a number of factors which may affect the thermal parameters of thermal bridges were detected. However they are not reflected in the formulas specified in current standards. Therefore, new approaches and correlations, that will precisely determine the physico-technical parameters of similar fixing nodes, should be looked for. Keywords: thermal bridges, complex thermal bridges, thermal parameters of parti- tions, energy efficiency. Budownictwo i Architektura 15(3) (2016) 107-123

Aqua Tower w Chicago – nieenergooszczędny ekologiczny wieżowiec (ikona modernistycznej architektury)

Jerzy Szołomicki, Piotr Berkowski

Zakład Fizyki Budowli i Komputerowych Metod Projektowania, Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego, Politechnika Wrocławska, e–mail: [email protected], [email protected]

Streszczenie: W artykule przedstawiono elementy analizy architektonicznej i konstrukcyjnej „ekologicznego” wieżowca Aqua Tower w Chicago - ikony architektury modernistycznej. Myślą przewodnią opracowania koncepcji budynku Aqua Tower było stworzenie budynku ekologicznego o oryginalnej formie, pełniącego funkcję hotelowo-mieszkalną. Chicagowski wieżowiec został wyposażony w nieregularnie rozmieszczone balkony, two- rzące „powłokę” pokrywającą prostopadłościenną bryłę główną. Zaprojektowany kształt budynku znacząco zmniejsza jego podatność i niedostateczne tłumienie drgań, spowodowane oddziaływaniem wiatru, które jest charakterystyczne dla budynków wysokich. W części pierwszej artykułu przeanalizowano różne formy geometryczne współczesnych budynków wysokich. Następnie scharakteryzowano wieżowiec Aqua Tower pod względem architektonicznym i konstrukcyjnym, biorąc pod uwagę oddziaływanie wiatru oraz aspekt ekologicz- no-energooszczędny. Budynek Aqua Tower jest zadziwiającym dziełem, pokazującym jak można kreatywnie zastosować beton, żeby uzyskać wybitną architekturę i wytrzymałą konstrukcję. W wieżowcu wykorzystano cały zestaw proekologicznych rozwiązań, do których należą między innymi system magazynowania wody deszczowej oraz energoosz- czędne oświetlenie. Roślinność umieszczona pomiędzy wyraźnie zaznaczonymi poziomymi podziałami elewacyjnymi sprawia wrażenie silnego sprzężenia tak kontrastujących ze sobą betonu i zieleni. Roślinny taras dachowy na trójkondygnacyjnym podium tworzy obraz „geometrycznego naturalizmu”, który nie tylko daje efekt estetyczny, ale także pozwala obniżyć temperaturę otoczenia. Słowa kluczowe: Aqua Tower; budynki wysokie; formy geometryczne; ekologia.

1. Wprowadzenie

Miejscem narodzin wieżowca, wykształconego jako nowa forma budynku, były Stany Zjednoczone. Wieżowce doskonale pasowały do urbanistyki i topografii amerykańskich miast, rozplanowanych zazwyczaj jako obszary, oparte na regularnej ortogonalnej sieci ulic [1]. Pierwsze budynki wysokie zostały wzniesiono w Chicago na początku XIX w. Cecho- wała je bardzo prosta forma, bez dekoracji, urozmaicona jedynie wykuszami. Zjawisko to było charakterystyczne dla projektowania obiektów o skali i funkcji, dla których odniesienia historyczne nie istnieją. Szybka ewolucja formy architektonicznej oraz towarzyszących jej systemów konstrukcyjnych nastąpiła od czasu pożaru w Chicago w 1871 roku. „Szkoła chicagowska” to nurt w architekturze powstały na przełomie XIX i XX wieku, który uważa się za wstęp do modernizmu i budownictwa wysokiego. Głównymi przedstawicielami tej 108 Jerzy Szołomicki, Piotr Berkowski szkoły byli Dankmar Adler i Louis Sullivan, którzy opracowali konstrukcje pozwalające budować budynki wyższe niż do tej pory (World Columbian Exposition 1893 (85 m), Chicago Stock Exchange 1893-1894 (57 m), Auditorium Building 1887-1889 (73 m)). W 1934 roku do Chicago przyjechali założyciele szkoły Bauhaus, Walter Gropius i Ludwik Mies van de Rohe, którzy zapoczątkowali tzw. „drugą szkołę chicagowską”. Do historii architektury przeszły budynki zaprojektowane przez Van de Rohe, które dziś uważane są za ikony współczesnej architektury. Należą do nich 26-piętrowe apartamentow- ce przy Lake Shore Drive (1949) w Chicago oraz 38-piętrowy Seagram Building w Nowym Jorku (1958). Oba te projekty doskonale realizują idee Bauhausu: prostopadłościenny kształt, stalowy szkielet i całkowicie przeszklone ściany. Na początku ery wysokościowców budowle wysokie powstawały w Chicago (John Hancock Center (1969), Aon Center (1973), Willis Tower (1974)) i w Nowym Jorku (Chrysler Building (1930), Rockeffeler Center (1933), (World Trade Center 1 i 2 (1970,1971)) i to tam została zapoczątkowana rywalizacja o posiadanie najwyższego budynku na świecie. Jednym z najciekawszych przykładów tej rywalizacji jest wybudowany w 1931 roku w Nowym Jorku Empire State Building (381 m), który przez ponad 40 lat był najwyższym budynkiem świata, do momentu, w którym ukończono dwie wieże World Trade Center (WTC1 417 m, WTC2 415 m.). Wówczas to one stały się centralnymi punktami nowojorskiej architektury. 11 września 2001 roku wieże zostały zniszczone przez atak terrorystyczny. W ich miejsce powstał nowy wieżowiec One World Trade Center (541 m), autorstwa Daniela Libeskinda i Davida Childsem’a (Skidmore, Owings&Meril). W latach 90-tych XX wieku nastąpił gwałtowny rozwój budownictwa w Azji, który zapoczątkował ogromną aktywność w budowaniu wieżowców. Znaczną rolę w tym procesie odegrały Chiny i Zjednoczone Emiraty Arabskie. W latach 30-tych 99% ze 100 najwyż- szych budynków na świecie było zlokalizowanych w Ameryce Północnej, natomiast w 2010 ten procent spadł do 22% [2]. Pierwsze miejsce w rankingu najwyższych budynków świata przypada od 2010 roku wieżowcowi Burj Khalifa, zlokalizowanemu w Dubaju w Zjednoczonych Emiratach Arab- skich (829 m; Adrian Smith, Skidmore, Owings&Merill). Jednak od kilka lat w Arabii Saudyjskiej przygotowywany jest jeszcze bardziej spektakularny projekt i przedsięwzięcie. Jest nim budowa Kingdom Tower, której wysokość po raz pierwszy w historii przekroczy barierę 1000 m. Budynki wysokie na samym początku były w 90% przeznaczone na biura przedsię- biorstw i w 10 % na hotele. Istotna zmiana nastąpiła w latach 90-tych, kiedy wzrosła liczba obiektów wielofunkcyjnych, łączących funkcje mieszkalne, biurowe i hotelowe. Rozwój budynków wysokich nierozerwalnie wiąże się z poszukiwaniem wydajnych materiałów konstrukcyjnych, pozwalających budować wyżej, szybciej i bezpieczniej. Początkowo prym w konstrukcjach budynków wysokich wiodła stal, jako że technologia betonu była nie dość rozwinięta, a produkowane betony cechowała znacznie niższa wytrzy- małość niż stal. Obecnie można dostrzec coraz większe zainteresowanie betonem jako głównym materiałem konstrukcyjnym w tego typu obiektach. Na przestrzeni ostatnich lat nastąpił także znaczny postęp w dziedzinie modelowania właściwości fizycznych i reolo- gicznych betonu. Dodawane domieszki umożliwiają znaczny wzrost wytrzymałości, przy- spieszają okres dojrzewanie betonu i umożliwiają wykonywanie prac budowlanych w temperaturach zarówno bardzo niskich, jak i bardzo wysokich. Współczesne betony ultrawysokowartościowe (UBPC) odznaczają się wytrzymałością większą od 150 MPa. Również rozwój technologii budowy (szalunki przestawne o dużej dokładności i szybkości montażu i demontażu, systemy transportu pionowego – pompy, itp.), duża podatność na Aqua Tower w Chicago – nieenergooszczędny ekologiczny wieżowiec ... 109 szkoły byli Dankmar Adler i Louis Sullivan, którzy opracowali konstrukcje pozwalające kształtowanie, szybszy wzrost wytrzymałości niż ceny, duża odporność ogniowa – to budować budynki wyższe niż do tej pory (World Columbian Exposition 1893 (85 m), kolejne zalety przemawiające za stosowaniem betonu. Chicago Stock Exchange 1893-1894 (57 m), Auditorium Building 1887-1889 (73 m)). Rozwój technologii betonu i metod organizacji budowy pozwolił nie tylko na wzno- W 1934 roku do Chicago przyjechali założyciele szkoły Bauhaus, Walter Gropius szenie coraz wyższych wieżowców, ale także na urozmaicanie ich formy i kształtów. Roz- i Ludwik Mies van de Rohe, którzy zapoczątkowali tzw. „drugą szkołę chicagowską”. Do wijają się również technologie mieszane, stalowo-betonowe, czego przykładem mogą być historii architektury przeszły budynki zaprojektowane przez Van de Rohe, które dziś Petronas Twin Tower w Kuala Lumpur (1998, 452 m (Rys. 1a)), Burji Khalifa (2010, 829 uważane są za ikony współczesnej architektury. Należą do nich 26-piętrowe apartamentow- m (Rys. 1b)), Princess Tower (2012, 413 m (Rys. 1c), One57 (2014, 306 m (Rys. 1d), ce przy Lake Shore Drive (1949) w Chicago oraz 38-piętrowy Seagram Building w Nowym Kingdom Center (2002, 302 m (Rys. 1e)). Obecnie wśród 100 najwyższych budynków Jorku (1958). Oba te projekty doskonale realizują idee Bauhausu: prostopadłościenny świata 10 wybudowanych jest jako konstrukcje stalowe, 34 – jako żelbetowe, 5 – jako kształt, stalowy szkielet i całkowicie przeszklone ściany. stalowo-żelbetowe, a 51 – jako kompozytowe zespolone [3]. Na początku ery wysokościowców budowle wysokie powstawały w Chicago (John Hancock Center (1969), Aon Center (1973), Willis Tower (1974)) i w Nowym Jorku (Chrysler Building (1930), Rockeffeler Center (1933), (World Trade Center 1 i 2 (1970,1971)) i to tam została zapoczątkowana rywalizacja o posiadanie najwyższego budynku na świecie. Jednym z najciekawszych przykładów tej rywalizacji jest wybudowany w 1931 roku w Nowym Jorku Empire State Building (381 m), który przez ponad 40 lat był najwyższym budynkiem świata, do momentu, w którym ukończono dwie wieże World Trade Center (WTC1 417 m, WTC2 415 m.). Wówczas to one stały się centralnymi punktami nowojorskiej architektury. 11 września 2001 roku wieże zostały zniszczone przez atak terrorystyczny. W ich miejsce powstał nowy wieżowiec One World Trade Center (541 m), autorstwa Daniela Libeskinda i Davida Childsem’a (Skidmore, Owings&Meril). a) b) c) d) e) W latach 90-tych XX wieku nastąpił gwałtowny rozwój budownictwa w Azji, który Rys. 1. (a) Petronas Twin Towers, Kuala Lumpur (Cesar Pelli); (b) Burji Khalifa, Dubaj (Adrian Smith, zapoczątkował ogromną aktywność w budowaniu wieżowców. Znaczną rolę w tym proce- Skidmore, Owings&Merrill); (c) Princess Tower, Dubaj (Adnan Saffarini Office); (d) One57, Nowy sie odegrały Chiny i Zjednoczone Emiraty Arabskie. W latach 30-tych 99% ze 100 najwyż- Jork (Christian de Portzamparc); (e) Kingdom Center, Rijad (Ellerbe Becket Omrania&Associates)) szych budynków na świecie było zlokalizowanych w Ameryce Północnej, natomiast w 2010 (Opracował J. Szołomicki) ten procent spadł do 22% [2]. Pierwsze miejsce w rankingu najwyższych budynków świata przypada od 2010 roku Projektowanie budynków wysokich o skomplikowanych formach ułatwił także rozwój wieżowcowi Burj Khalifa, zlokalizowanemu w Dubaju w Zjednoczonych Emiratach Arab- technologii komputerowych. Większa moc obliczeniowa komputerów pozwoliła na tworzenie skich (829 m; Adrian Smith, Skidmore, Owings&Merill). Jednak od kilka lat w Arabii bardziej zaawansowanych programów inżynierskich, które umożliwiają budowanie modeli Saudyjskiej przygotowywany jest jeszcze bardziej spektakularny projekt i przedsięwzięcie. coraz lepiej odwzorowujących rzeczywiste zachowanie konstrukcji. Widać to szczególnie Jest nim budowa Kingdom Tower, której wysokość po raz pierwszy w historii przekroczy w budynkach wysokich z ostatnich dwudziestu lat. Współczesne projekty burzą stereotypy barierę 1000 m. wysokościowców i zaskakują skomplikowanymi formami nawiązującymi do historii, tradycji, Budynki wysokie na samym początku były w 90% przeznaczone na biura przedsię- a nawet religii. Wieżowce sprzyjają rozwojowi nowatorskich rozwiązań nie tylko w zakresie biorstw i w 10 % na hotele. Istotna zmiana nastąpiła w latach 90-tych, kiedy wzrosła liczba konstrukcji, ale także w dziedzinach komunikacji pionowej, ograniczenia zużycia energii, obiektów wielofunkcyjnych, łączących funkcje mieszkalne, biurowe i hotelowe. poprawienia komfortu przebywania człowieka w budynku czy też bezpieczeństwa przebywa- Rozwój budynków wysokich nierozerwalnie wiąże się z poszukiwaniem wydajnych jących w nim ludzi. Organizacja działania i nowoczesne wyposażenie budynków wysokich materiałów konstrukcyjnych, pozwalających budować wyżej, szybciej i bezpieczniej. sprawia, że zaliczane są one do kategorii „budynków inteligentnych”. Początkowo prym w konstrukcjach budynków wysokich wiodła stal, jako że technologia Doskonałym przykładem takiego budynku jest Aqua Tower w Chicago, który jest betonu była nie dość rozwinięta, a produkowane betony cechowała znacznie niższa wytrzy- przedmiotem analizy w dalszej części artykułu. Obecnie Chicago jest nie tylko kolebką wie- małość niż stal. Obecnie można dostrzec coraz większe zainteresowanie betonem jako żowców, ale i miastem o bogatej panoramie architektonicznej. Stoją tutaj obok siebie wieżow- głównym materiałem konstrukcyjnym w tego typu obiektach. Na przestrzeni ostatnich lat ce z początku XX wieku ozdobione w stylu secesji i art deco, modernistyczne wieże z połowy nastąpił także znaczny postęp w dziedzinie modelowania właściwości fizycznych i reolo- ubiegłego stulecia oraz najnowsze realizacje najwybitniejszych architektów świata. gicznych betonu. Dodawane domieszki umożliwiają znaczny wzrost wytrzymałości, przy- spieszają okres dojrzewanie betonu i umożliwiają wykonywanie prac budowlanych 2. Formy geometryczne budynków wysokich w temperaturach zarówno bardzo niskich, jak i bardzo wysokich. Współczesne betony ultrawysokowartościowe (UBPC) odznaczają się wytrzymałością większą od 150 MPa. Wysokie budynki często były projektowane standardowo, w postaci prostopadłościen- Również rozwój technologii budowy (szalunki przestawne o dużej dokładności i szybkości nej bryły ze szklanymi elewacjami. Budynki takie, choć praktyczne i estetyczne, są montażu i demontażu, systemy transportu pionowego – pompy, itp.), duża podatność na w pewnym stopniu monotonne. Współczesna architektura próbuje tej monotonności stawić 110 Jerzy Szołomicki, Piotr Berkowski czoła. Oprócz masowej realizacji racjonalnych budynków wysokościowych, opartych o podobne, skodyfikowane już, założenia konstrukcyjne i formalne, odnotować należy pojawienie się w budownictwie wysokościowym innego trendu. Jest to zjawisko wznoszenia budynków „ikonicznych”, wyróżniających się swoimi kształtami i skalą. Bryły geometryczne (m.in. wielościany, stożki, walce, kule, elipsoidy, torusy) oraz krzywoliniowe powierzchnie pojawiają się, jako elementy składowe każdego współczesne- go wieżowca [4,5,6]. Analizując formę obiektu można wyodrębnić konkretne rodzaje podstawowych brył lub powierzchni stosowanych w całości albo w postaci fragmentów. Ponadto do kreowania kompozycji obiektu wykorzystuje się różne rodzaje zniekształceń tych brył lub powierzchni. Generalnie, formy przestrzenne można geometrycznie podzielić na wielościany, bryły obrotowe i powierzchnie. Z punktu widzenia formy architektonicznej współczesne wieżowce możemy zakwali- fikować do następujących grup [7]: extruder, rotor, twister i tordos oraz dowolny kształt. Extruders Budynki tego typu mają na całej wysokości taki sam przekrój poprzeczny. Przykładem może być bryła prostopadłościenna lub cylindryczna (Rys. 2a). W ramach tej grupy mogą występować następujące modyfikacje:  poszczególne kondygnacje są ułożone jedna na drugiej w stałym nachyleniu, rzuty kondygnacji mogą mieć prosty lub zakrzywiony kontur („anglers”, Rys. 2b),  kondygnacje ułożone jedna na drugiej przy różnym kącie nachylenia, często w postaci prostych segmentów pochylających się w różnych kierunkach, płynnie połączonych z wygiętymi segmentami („sliders”, Rys. 2c), mogącymi ulec przewężeniu wraz ze wzrostem wysokości („tapering sliders”, Rys. 2d). Pojedyncze budynki tego typu mo- gą być połączone ze sobą w grupach w celu zapewnienia większej sztywności lub zapewnienia wyjścia przeciw pożarowego. (“slider assemblies”, Rys. 2e).

a) b) c) d) e) Rys. 2. (a) Marina City towers, Chicago (Bertrand Goldberg); (b) Gate Bay, Dubai (Bothe Richter, Teheran Architects BDA); (c) Zig Zag Towers, Doha (MZ&Partners); (d) Greenland Puli Center, Jinan (Skid- more, Owings&Merrill); (e) World Trade Center, Bahrain (Atkins Company) (Opracował J. Szołomicki)

Rotors Budynki tej grupy mają formę bryły obrotowej, powstałej w wyniku obrotu figury pła- skiej dookoła prostej stanowiącej oś obrotu (Rys. 3c). Gdy oś obrotu jest pochylona wtedy bryła może uzyskać formę hiperboloidy. W wyniku obrotu okręgu dokoła pionowej osi uzyskuje się formę kuli. Model bryły obrotowej budynku może mieć formę wypukłą („bul- ging rotor”, Rys. 3 abcde) lub formę wklęsłą („squeezed rotor”) w zależności od przyjętej Aqua Tower w Chicago – nieenergooszczędny ekologiczny wieżowiec ... 111 czoła. Oprócz masowej realizacji racjonalnych budynków wysokościowych, opartych krzywej obrotu, której krzywizna może być bardzo złożona (Rys. 3a). Uzyskana forma o podobne, skodyfikowane już, założenia konstrukcyjne i formalne, odnotować należy bryły budynku może mieć również eliptyczny przekrój poprzeczny i wtedy zaliczana jest do pojawienie się w budownictwie wysokościowym innego trendu. Jest to zjawisko wznoszenia typu „transformed rotors” (Rys. 3cde). budynków „ikonicznych”, wyróżniających się swoimi kształtami i skalą. Bryły geometryczne (m.in. wielościany, stożki, walce, kule, elipsoidy, torusy) oraz krzywoliniowe powierzchnie pojawiają się, jako elementy składowe każdego współczesne- go wieżowca [4,5,6]. Analizując formę obiektu można wyodrębnić konkretne rodzaje podstawowych brył lub powierzchni stosowanych w całości albo w postaci fragmentów. Ponadto do kreowania kompozycji obiektu wykorzystuje się różne rodzaje zniekształceń tych brył lub powierzchni. Generalnie, formy przestrzenne można geometrycznie podzielić na wielościany, bryły obrotowe i powierzchnie. Z punktu widzenia formy architektonicznej współczesne wieżowce możemy zakwali- fikować do następujących grup [7]: extruder, rotor, twister i tordos oraz dowolny kształt. Extruders Budynki tego typu mają na całej wysokości taki sam przekrój poprzeczny. Przykładem może być bryła prostopadłościenna lub cylindryczna (Rys. 2a). W ramach tej grupy mogą a) b) c) d) e) występować następujące modyfikacje: Rys. 3. (a) Mode Gakuen Cocoon Tower, Tokio (Kenzo Tange Associates); (b) Swiss Re, Londyn (Norman  poszczególne kondygnacje są ułożone jedna na drugiej w stałym nachyleniu, rzuty Foster&Partners); (c) Westhafen Tower, Frankfurt (Schneider, Schumacher); (d) Torre Agbar, Barce- kondygnacji mogą mieć prosty lub zakrzywiony kontur („anglers”, Rys. 2b), lona (Jean Nouvel i Fermin Vazquez); (e) International Financial Center, Guangzu (Wilkinson Eyre)  kondygnacje ułożone jedna na drugiej przy różnym kącie nachylenia, często w postaci (Opracował J. Szołomicki) prostych segmentów pochylających się w różnych kierunkach, płynnie połączonych z wygiętymi segmentami („sliders”, Rys. 2c), mogącymi ulec przewężeniu wraz ze Twister i Tordos wzrostem wysokości („tapering sliders”, Rys. 2d). Pojedyncze budynki tego typu mo- Budynki tego typu mają formę skręconej bryły z fasadą powtarzaną na wszystkich kon- gą być połączone ze sobą w grupach w celu zapewnienia większej sztywności lub za- dygnacjach „twister” (Rys. 4a). Budynki z ortogonalnym trzonem i z jedną lub dwoma skręco- pewnienia wyjścia przeciw pożarowego. (“slider assemblies”, Rys. 2e). nymi wieżami należą do kategorii „toros” (Rys. 4b). Inspiracja do przekształcenia osi w Revolution Tower (Rys. 4c) w spiralną formę może pochodzić z inżynierskiej logiki do usytuowania asymetrycznych kondygnacji nie przez środek okrągłego segmentu kondygnacji, ale przez środek ciężkości kondygnacji. Kiedy kondygnacje są przesunięte w górę wzdłuż krzywej 2D lub 3D i dodatkowo dodana jest rotacja do zewnętrznej konstrukcji to bryła budynku należy do kategorii „sliding twister” (Rys. 4c). Gdy krzywa obrotu 3D jest spiralą to należy do kategorii „helical twister” (Rys. 4de). Przecinające się bryły budynku w kształcie skręconych spirali mają wewnętrzną pionową strefę przeznaczoną na szyby windy.

Rotors Budynki tej grupy mają formę bryły obrotowej, powstałej w wyniku obrotu figury pła- skiej dookoła prostej stanowiącej oś obrotu (Rys. 3c). Gdy oś obrotu jest pochylona wtedy a) b) c) d) e) bryła może uzyskać formę hiperboloidy. W wyniku obrotu okręgu dokoła pionowej osi Rys. 4. (a) Turning Torso, Malmö (Santiago Calatrava); (b) Infinity Tower (Cayan), Dubai (Skidemore, uzyskuje się formę kuli. Model bryły obrotowej budynku może mieć formę wypukłą („bul- Owings and Merrill); (c) Revolution Tower, Panama City (Pinzon Lozano&Asociados); (d) Evolution Tower, Moskwa (Tony Kettle); (e) Mode Gakuen Spiral Towers, Nagoya (Nikken Sekkei) (Opracował ging rotor”, Rys. 3 abcde) lub formę wklęsłą („squeezed rotor”) w zależności od przyjętej J. Szołomicki) 112 Jerzy Szołomicki, Piotr Berkowski

Dowolny kształt Forma budynku o dowolnej geometrii jest wykonana przy zastosowaniu kombinacji geometrycznie prostych obiektów (linia, powierzchnia, bryła), gdy sekwencja działań architekta projektującego formę budynku nie jest oczywista oraz gdy forma nie pasuje do żadnej innej kategorii. W kategorii tej możemy wyróżnić podkategorię „slicers”. Należą do niej budynki, które mają zakrzywioną fasadę poprzez balkony oraz inne wysunięte elementy. Na Rys. 5a zakrzywiona zewnętrzna powierzchnia jest uzyskana przez kontury wijących się balkonów dookoła prostopadłościennej bryły. Alternatywnie zakrzywione segmenty balkonów mogą powtarzać się na wyższych kondygnacjach wraz z ich obrotem (Rys. 5b). To pionowe skręcenie zewnętrznej powierzchni tworzy w przekroju nie linię prostą ale krzywą. Cofnięta fasada w budynku z Rys. 5b jest ozdobiona płaskimi elementami. Gładka powierzchnia budynku na Rys. 5c jest uzyskana poprzez dużą ilość żaluzji. Pionowość balustrad jest mniej oczywista w wieżowcach niż w budynkach niskich (Rys. 5d), gdzie fasada jest raczej schodkowa i nie tworzy wygładzonej krzywej. Gdy budynek ma powtarza- jące się pionowe kondygnacje wraz z poziomym ich obrotem to jest zaliczany do kategorii „sliced twister” (Rys. 5b).

a) b) c) d) Rys. 5. (a) Aqua Tower, Chicago (Jeanne Gang); (b) Absolute World Buildings, Mississauga Ontario (Burka Architects i Mad Architects); (c) Slinky Twins Towers, Paryż (Philippe Chiambaretta Architecte); (d) Nordhaven Residences, Kopenhaga (3XN team: Kim Herforth Nielsen, Henriette Byrge, Melanie Zirn, Jan Ammundsen) (Opracował J. Szołomicki)

3. Aqua Tower w Chicago – ikoniczny budynek modernistycznej architektury 3.1 Architektura budynku

Dowolny kształt lopment budynek był pierwszym budynkiem wysokościowym zespołu Jeanne Gang. Wie- Forma budynku o dowolnej geometrii jest wykonana przy zastosowaniu kombinacji żowiec usytuowany jest pomiędzy wysokimi zabudowaniami w ścisłym centrum Chicago, geometrycznie prostych obiektów (linia, powierzchnia, bryła), gdy sekwencja działań nad jeziorem Michigan, obok parku Milenium, przy North Columbus Drive. Od wschodu architekta projektującego formę budynku nie jest oczywista oraz gdy forma nie pasuje do budynek graniczy z Lake Shore East Park. żadnej innej kategorii. W kategorii tej możemy wyróżnić podkategorię „slicers”. Należą do Realizacja inwestycji rozpoczęta została na początku 2007 roku, na początku kryzysu niej budynki, które mają zakrzywioną fasadę poprzez balkony oraz inne wysunięte elemen- na rynku nieruchomości, a budowę zakończono w roku 2010. W roku 2009 projekt zdobył ty. Na Rys. 5a zakrzywiona zewnętrzna powierzchnia jest uzyskana przez kontury wijących nagrodę Emporis Skyscraper Award jako najlepszy wieżowiec pod względem wzornictwa się balkonów dookoła prostopadłościennej bryły. Alternatywnie zakrzywione segmenty i funkcjonalności. balkonów mogą powtarzać się na wyższych kondygnacjach wraz z ich obrotem (Rys. 5b). Budynek został zaprojektowany w oparciu o program modelowania BEM. Interak- To pionowe skręcenie zewnętrznej powierzchni tworzy w przekroju nie linię prostą ale tywny system jest złożony z ukierunkowanych przedmiotowo zbiorów skupionych na krzywą. Cofnięta fasada w budynku z Rys. 5b jest ozdobiona płaskimi elementami. Gładka specyficznych aspektach przestrzennych projektu. Myślą przewodnią opracowania koncep- powierzchnia budynku na Rys. 5c jest uzyskana poprzez dużą ilość żaluzji. Pionowość cji budynku Aqua Tower (Rys. 6) było stworzenie budynku ekologicznego (np. optymalna balustrad jest mniej oczywista w wieżowcach niż w budynkach niskich (Rys. 5d), gdzie ekspozycja w zimie i w lecie, ułatwiająca ogrzewanie pasywne), o oryginalnej formie, fasada jest raczej schodkowa i nie tworzy wygładzonej krzywej. Gdy budynek ma powtarza- pełniącego funkcję hotelowo-mieszkalną, z wielofunkcyjnym kompleksem budowlanym, jące się pionowe kondygnacje wraz z poziomym ich obrotem to jest zaliczany do kategorii położonego na 28-hektarowej działce Lakeshore East (pomiędzy jeziorem Michigan i rzeką „sliced twister” (Rys. 5b). Chicago). Chicagowski wieżowiec został wyposażony w nieregularnie rozmieszczone balkony, tworzące „powłokę” pokrywającą prostopadłościenną bryłę główną. Zespół architektów z pracowni Studio Gang Architects przeprowadził analizę widoków z budynku i w jego kierunku z wielu punktów miasta (Rys. 7). Wyższe kondygnacje obejmują widok na jezioro Michigan oraz park Milenium, poniżej tych kondygnacji dostępny jest widok na park Harbor, kładkę dla pieszych BP w postaci żelbetowych ramp zakrzywionych w planie i rzeźbę „Cloud Gate” w parku Milenium. Kształt elewacji wieżowca był modyfikowany w ten sposób, aby zapewnić najbardziej atrakcyjny widok zarówno z jego wnętrza, jak i na niego z ulic i otaczających placów i parków. Niewątpliwie było to wyjątkowe podejście architektów do wagi usytuowania tego typu obiektu w przestrzeni miejskiej, które umożliwiło uchwycenie wielu widoków nieosią- galnych z innych istniejących wieżowców. a) b) c) d) Rys. 5. (a) Aqua Tower, Chicago (Jeanne Gang); (b) Absolute World Buildings, Mississauga Ontario (Burka Architects i Mad Architects); (c) Slinky Twins Towers, Paryż (Philippe Chiambaretta Architecte); (d) Nordhaven Residences, Kopenhaga (3XN team: Kim Herforth Nielsen, Henriette Byrge, Melanie Zirn, Jan Ammundsen) (Opracował J. Szołomicki)

3. Aqua Tower w Chicago – ikoniczny budynek modernistycznej architektury 3.1 Architektura budynku

Wielu architektów prześciga się w projektowaniu wieżowców o coraz to bardziej urozmaiconych formach. Pojawienie się nowych systemów obliczeniowych spowodowało wzrost zainteresowania projektowaniem „free-form”, a możliwość matematycznego opisa- nia złożonych form ze skomplikowanymi krzywiznami zaowocowała szeregiem ekspery- mentów architektonicznych, co zresztą jest naturalną konsekwencją pojawienia się każdej nowej technologii. Powstają więc budynki o prostej bryle, ale z oryginalnymi elewacjami. Jest to zrozu- miałe, gdyż oryginalna forma powoduje powstanie rozpoznawalnego adresu i to nie tylko Rys. 6. Widok budynku Aqua Tower [10] w skali miasta, ale również całego świata. Przykład może stanowić Aqua Tower, wieloro- dzinny wieżowiec mieszkaniowy zrealizowany według projektu zespołu architektów Studio W mieście znanym z prostoliniowych wieżowców zaprojektowanych przez Van de Gang Architects, kierowanego przez Jeanne Gang [8]. Zbudowany przez Magellan Deve- Rohe, Gang wykorzystała krzywiznę owijając wieżę mieszkalną w sinusoidalnie falujące 114 Jerzy Szołomicki, Piotr Berkowski balkony (Rys. 8), przypominające falującą powierzchnię wody. Fale na powierzchni wie- żowca nawiązują formą do prążkowanych skał wapiennych znajdujących się w sąsiedztwie jeziora Michigan, tworząc jednocześnie asymetryczne tarasy (Rys. 9). Tak jak fale na jeziorze, tak i powierzchnie każdego piętra z balkonami tworzą inną formę [9]. To sprawia, że konstrukcja budynku jest bardzo różnorodna i każdy taras ma inny kształt i wielkość. Oprócz rzeźbiarskiego charakteru fasady, system zewnętrznych balkonów spełnia także funkcję ekranu słonecznego, chroniącego wnętrze przed zbytnim nagrzewaniem się. Budynkami, które poprzedzają krzywoliniową Aqua Tower w Chicago są cylindrycz- ne bliźniacze budynki-ikony w Marina City zaprojektowane przez Bertranda Goldberga w 1964 roku (Rys. 2a). W budynkach tych rzuty pięter mają okrągły kształt, który wymusił na mieszkańcach dopasowanie mebli do pomieszczeń w kształcie klina.

Rys. 7. Analiza możliwych widoków z budynku Aqua Tower (wśród nich z wyższych kondygnacji widok na jezioro Michigan oraz park Milenium, poniżej tych kondygnacji widok na park Harbor, kładkę dla pieszych BP i rzeźbę „Cloud Gate” w parku Milenium (Opracował J. Szołomicki)

Architekt James Loewenberg zdecydował się na konstrukcję żelbetową na rzucie pro- stokąta z centralnie usytuowanym trzonem budynku (Rys. 11). Na parterze przewidziano centrum handlowe, piętra od 4 do 18 zarezerwowano na hotel z 334 pokojami, piętra od 19 do 52 przeznaczono zaś na 474 mieszkania na wynajem oraz pozostałe piętra przeznaczono na 264 mieszkania lokatorskie, Penthousy zajmują 80 i 81 piętro [11]. Kilkukondygnacyjny garaż mieści 1557 miejsc parkingowych. Strefy komunikacyjne, mieszczące korytarze, klatki schodowe oraz windy, ulokowane są w centralnej części wieżowca. U postawy wieży znajduje się trójkondygnacyjne podium, obejmujące część hotelową. Na dachu tego podium, o powierzchni 7200 m2, zaprojektowano zielony taras, na którym zaplanowano odkryty basen, bieżnię do biegania oraz miejsce do uprawiania joggingu (Rys. 10). Na tym zielonym tarasie wiją się ścieżki pomiędzy niskimi wiecznie zielonymi roślinami i drzewa- mi liściastymi, które nie są naturalne, ale tworzą obraz „geometrycznego naturalizmu”. Aqua Tower w Chicago – nieenergooszczędny ekologiczny wieżowiec ... 115 balkony (Rys. 8), przypominające falującą powierzchnię wody. Fale na powierzchni wie- Układ charakterystycznego konturu budynku powstał przy pomocy programu komputero- żowca nawiązują formą do prążkowanych skał wapiennych znajdujących się w sąsiedztwie wego. Zaszklenie podstawy zostało wykonane ze standardowych szklanych materiałów typu jeziora Michigan, tworząc jednocześnie asymetryczne tarasy (Rys. 9). Tak jak fale na high-rise. jeziorze, tak i powierzchnie każdego piętra z balkonami tworzą inną formę [9]. To sprawia, że konstrukcja budynku jest bardzo różnorodna i każdy taras ma inny kształt i wielkość. Oprócz rzeźbiarskiego charakteru fasady, system zewnętrznych balkonów spełnia także funkcję ekranu słonecznego, chroniącego wnętrze przed zbytnim nagrzewaniem się. Budynkami, które poprzedzają krzywoliniową Aqua Tower w Chicago są cylindrycz- ne bliźniacze budynki-ikony w Marina City zaprojektowane przez Bertranda Goldberga w 1964 roku (Rys. 2a). W budynkach tych rzuty pięter mają okrągły kształt, który wymusił na mieszkańcach dopasowanie mebli do pomieszczeń w kształcie klina.

Rys. 8. Pofalowana fasada Aqua Tower, wykorzystująca system zewnętrznych balkonów (Opracował J. Szołomicki)

Rys. 10. Widok dachu podium, na którym zaprojektowano zielony taras, basen oraz bieżnię do biegania (Opracował J. Szołomicki)

Rys. 11. Typowy rzut kondygnacji, centralnie usytuowany trzon budynku (Opracował J. Szołomicki) Aqua Tower w Chicago – nieenergooszczędny ekologiczny wieżowiec ... 117

3.2. Konstrukcja budynku Firma projektująca konstrukcję Aqua Tower (Magnusson Klemencic Associates) roz- winęła nowy, zoptymalizowany system konstrukcyjny. System ten łączył żelbetowy trzon umiejscowiony centralnie (Rys. 11, 12), schodkowe betonowe ściany, ściany wysięgnikowe na poziomach 55 do 58 i 81 do 82 oraz ściany stężające na poziomie 57. Ponadto zastosowano cztery różne wytrzymałości betonu dla trzonu i ścian nośnych. Strategicznie zlokalizowane ściany wysięgnikowe i stężające poszerzają bryłę budynku i wykorzystują ze- wnętrzne słupy w celu zapobieżenia kołysaniu. 87-kondygnacyjny Aqua Tower, o wysoko- ści 262 m posadowiony jest na żelbetowej płycie fundamentowej, która ma grubość ponad 2 m i opiera się na 31 wierconych palach o średnicy dochodzącej do 3 m i zagłębionych do 30 m w podłoże dolomitowe. Siatka słupów w części podziemnej ma rozstaw 8,5 x 8,5 m. Sinusoidalne zakrzywienie płyt balkonowych na każdej kondygnacji przyjmuje różną konfigurację co powoduje, że wysunięcia balkonów, o grubości płyty 23 cm, znajdują się w zakresie 0,6 do 3,5 m (Rys.13).

Rys. 10. Widok dachu podium, na którym zaprojektowano zielony taras, basen oraz bieżnię do biegania (Opracował J. Szołomicki)

Rys. 12. Przekrój przez południową elewacje (Opracował J. Szołomicki)

Ten falujący charakter płyt balkonowych powoduje, że każda płyta ma inny kształt, co oznacza, że obliczenia statyczne były przeprowadzone dla każdej oddzielnie. Aqua Tower ma 78 indywidualnie zakrzywionych płyt stropowych ze wspornikowymi balkonami. Balkony są wykonane w technologii monolitycznej i w sposób ciągły są połączone z płyta- mi stropowymi. Profil balkonów pomaga w odwodnieniu i utrzymaniem wody deszczowej poza fasadą budynku. Kilkanaście modeli komputerowych utworzono w celu analizy wy- Rys. 11. Typowy rzut kondygnacji, centralnie usytuowany trzon budynku (Opracował J. Szołomicki) trzymałości i ugięcia tych unikatowych płyt stropowych na balkonach, których długość krawędzi przekracza 13 kilometrów. 118 Jerzy Szołomicki, Piotr Berkowski

Rys. 13. Wysunięte balkony w Aqua Tower (Opracował J. Szołomicki)

3.3. Aspekt energooszczędności i ekologii Budynek Aqua Tower jest zadziwiającym dziełem pokazującym jak można kreatywnie zastosować żelbet, aby uzyskać zarówno wybitną architekturę, jak i wytrzymałą kon- strukcję. Orientacja budynku w kierunku wschodnio-zachodnim maksymalizuje ekspozycję w zimie, ułatwiając ogrzewanie pasywne (Rys. 14). Balkony na wschodniej fasadzie są celowo większe, żeby zredukować ekspozycję w lecie. Dodatkowo zastosowano niskoemi- syjną powłokę we wszystkich przeszkleniach. Zespół projektowy Aqua Tower zamodelował sezonowe wzorce nasłonecznienia dla identyfikacji miejsc wymagających dodatkowego przeszklenia w celu zwiększenia charakterystyki energetycznej budynku. Przeszklenie na wschodniej i południowej fasadzie są wykonane ze szkła refleksyjnego bez zabezpieczenia balkonów, podczas gdy przeszklenie na zachodniej fasadzie mają zabarwioną powłokę, która zwiększa współczynnik zacienienia. Większość eksponowanego szkła jest spieczona, co nie tylko pomaga zredukować ciepło i odblaski, ale razem z ciemno szarą balustradą uniemożliwiają ptakom zderzenie z budynkiem. W wieżowcu wykorzystano cały zestaw proekologicznych rozwiązań, do których na- leżą między innymi system magazynowania wody deszczowej oraz energooszczędne oświe- tlenie. Z budynkami wyposażonymi w systemy energooszczędne i proekologiczne kojarzą się obiekty posiadające w swoich elewacjach wprowadzone elementy zieleni, które niejedno- krotnie kreują fasadę oraz przestrzeń wewnątrz budynku, umieszczona pomiędzy wyraźnie zaznaczonymi poziomymi podziałami elewacyjnymi sprawia wrażenie silnego sprzężenia, tak kontrastujących ze sobą betonu i zieleni. Roślinność znajdująca się na elewacjach ściśle współgra z elementami zieleni w przyziemiu otaczającym budynek. Aqua Tower w Chicago – nieenergooszczędny ekologiczny wieżowiec ... 119

Rys. 14. Analiza orientacji budynku w celu uzyskania efektu maksymalizacji ekspozycji w zimie i minimali- zacji w lecie (Opracował J. Szołomicki)

Zielony taras dachowy na trójkondygnacyjnym podium nie tylko daje efekt estetyczny, ale także pozwala obniżyć temperaturę otoczenia, poprzez zacienienie. Niestety, budynek ten trudno byłoby jednak zakwalifikować do budynków energooszczędnych. Do analizy energooszczędności budynku zastosowano pasywny, bezkontaktowy pomiar temperatury na Rys. 13. Wysunięte balkony w Aqua Tower (Opracował J. Szołomicki) powierzchni obiektu przy pomocy kamery termowizyjnej. Promieniowanie podczerwone zarejestrowane przez kamerę termowizyjną zostało przetworzone na kolorową mapę tempe- 3.3. Aspekt energooszczędności i ekologii ratur (termogram), która odzwierciedla rozkład temperatury powierzchniowej badanego obiektu. W wyniku przeprowadzonej analizy termogramów wykazano, że budynek emituje Budynek Aqua Tower jest zadziwiającym dziełem pokazującym jak można kreatyw- ciepło, które bezpowrotnie ulatuje w atmosferę. Występują tutaj liczne mostki termiczne na nie zastosować żelbet, aby uzyskać zarówno wybitną architekturę, jak i wytrzymałą kon- balkonach oraz dookoła okien (Rys. 17), spowodowane brakiem izolacji. strukcję. Orientacja budynku w kierunku wschodnio-zachodnim maksymalizuje ekspozycję w zimie, ułatwiając ogrzewanie pasywne (Rys. 14). Balkony na wschodniej fasadzie są celowo większe, żeby zredukować ekspozycję w lecie. Dodatkowo zastosowano niskoemi- syjną powłokę we wszystkich przeszkleniach. Zespół projektowy Aqua Tower zamodelował sezonowe wzorce nasłonecznienia dla identyfikacji miejsc wymagających dodatkowego przeszklenia w celu zwiększenia charakterystyki energetycznej budynku. Przeszklenie na wschodniej i południowej fasadzie są wykonane ze szkła refleksyjnego bez zabezpieczenia balkonów, podczas gdy przeszklenie na zachodniej fasadzie mają zabarwioną powłokę, która zwiększa współczynnik zacienienia. Większość eksponowanego szkła jest spieczona, co nie tylko pomaga zredukować ciepło i odblaski, ale razem z ciemno szarą balustradą uniemożliwiają ptakom zderzenie z budynkiem. W wieżowcu wykorzystano cały zestaw proekologicznych rozwiązań, do których na- leżą między innymi system magazynowania wody deszczowej oraz energooszczędne oświe- tlenie. Z budynkami wyposażonymi w systemy energooszczędne i proekologiczne kojarzą się obiekty posiadające w swoich elewacjach wprowadzone elementy zieleni, które niejedno- krotnie kreują fasadę oraz przestrzeń wewnątrz budynku, umieszczona pomiędzy wyraźnie zaznaczonymi poziomymi podziałami elewacyjnymi sprawia wrażenie silnego sprzężenia, tak kontrastujących ze sobą betonu i zieleni. Roślinność znajdująca się na elewacjach ściśle Rys. 15. Obraz Aqua Tower uzyskany z kamery termowizyjnej [12] współgra z elementami zieleni w przyziemiu otaczającym budynek. 120 Jerzy Szołomicki, Piotr Berkowski

3.4. Oddziaływanie wiatru Jednym z największych wyzwań dla inżynierów projektujących współczesne budynki wysokie jest oddziaływanie wiatru. Ma ono charakter dynamiczny i jego siła zależy od właściwości aerodynamicznych budowli oraz porywistości wiatru. Dla obiektów o skomplikowanych kształtach są wykonywane badania w tunelu aerodynamicznym [13], ponieważ nie ma procedur w normach dla tego typu obiektów (Rys. 16). Do przenoszenia obciążeń poziomych oraz aby zapobiec kołysaniu budynków, konstruuje się sztywne żelbetowe trzony umiejscowione w środku obiektów. Poza kołysaniem wiatr ma znaczący wpływ na budynek wtedy, kiedy częstość odrywania wirów zbliży się do jego częstości drgań własnych. Jeśli wiry wywołają drgania budynku równe jego częstotliwości rezonansowej, to mogą one wygenerować ogromne siły i spowodować katastrofę. Żeby temu zapobiec projektuje się aerodynamiczny kształt budynku albo budynek o bardzo zróżnicowanej elewacji, która uniemożliwia nakładanie się wirów. Innym sposobem prze- ciwdziałania oddziaływaniom wiatru jest strojony tłumik masowy (absorber wibracji). Kiedy budynek zaczyna się kołysać w jedną stronę, wahadło z tą samą częstotliwością odchyla się w stronę przeciwną, tłumiąc wibrację, a tym samym zmniejszając odchylenia budynku. W innych typach strojonych tłumików masowych umieszcza się elementy hydrauliczne, które zamieniają energię kinetyczną w ciepło. Absorbery wibracji umieszcza się nie tylko w górnej części budynku lub na dachu, ale również w elementach konstrukcji, np. w stalowej kratownicy.

Rys. 16. Schemat przyjmowania obszarów obciążenia budynków wysokich: a) wzdłuż wysokości, b) na ścianie bocznej [14]

Aby nie zajmować cennej powierzchni użytkowej wieżowca pojawiły się pomysły innych rozwiązań problemu drgań. Christopoulos i Montgomery [15] stworzyli system, który rozkłada tłumienie w całym budynku używając wiskoelastycznego materiału lepkiego spojo- nego ze stalą. Ich tłumik absorbuje drgania powstałe od wiatru lub trzęsienia ziemi i koncentruje uszkodzenia w poszczególnych partiach tłumika, które są łatwe do wymienienia W fazie projektowania budynku wysokiego zaleca się przeprowadzać testy w tunelach aerodynamicznych. Tunele takie zaprojektowane są do symulacji zmian prędkości wiatru Aqua Tower w Chicago – nieenergooszczędny ekologiczny wieżowiec ... 121

3.4. Oddziaływanie wiatru wraz ze wzrostem wysokości badanego modelu. Model poddany jest obciążeniu pod każ- dym możliwym kątem. Aby zobrazować efekt działania wiatru często używa się dymu. Jednym z największych wyzwań dla inżynierów projektujących współczesne budynki Czujniki zamontowane w różnych punktach modelu odczytują dane i po wprowadzeniu ich wysokie jest oddziaływanie wiatru. Ma ono charakter dynamiczny i jego siła zależy od do komputera otrzymuje się szczegółową analizę. właściwości aerodynamicznych budowli oraz porywistości wiatru. W projektowaniu budynków wysokich takich jak Aqua Tower potrzebna jest wyjąt- Dla obiektów o skomplikowanych kształtach są wykonywane badania w tunelu aero- kowa współpraca pomiędzy architektem i konstruktorem, żeby właściwie określić kształt dynamicznym [13], ponieważ nie ma procedur w normach dla tego typu obiektów (Rys. 16). budynku wraz z jego konstrukcyjnymi elementami. Właściwy kształt budynku ma przynieść Do przenoszenia obciążeń poziomych oraz aby zapobiec kołysaniu budynków, konstruuje korzyść w postaci zaburzenia formy oddziaływania wiatru wokół budynku do efektywnie się sztywne żelbetowe trzony umiejscowione w środku obiektów. Poza kołysaniem wiatr ma zredukowanego wzbudzenia wiatrem. Różne aerodynamiczne modyfikacje bryły budynku znaczący wpływ na budynek wtedy, kiedy częstość odrywania wirów zbliży się do jego mogą być podzielone na następujące grupy: częstości drgań własnych. Jeśli wiry wywołają drgania budynku równe jego częstotliwości  stożkowaty przekrój poprzeczny i cofnięcie w linii zabudowania (Al Faisaliyah rezonansowej, to mogą one wygenerować ogromne siły i spowodować katastrofę. Żeby (Rys. 17a)), temu zapobiec projektuje się aerodynamiczny kształt budynku albo budynek o bardzo  spiralny kształt (Avaz Twist Tower (Rys. 17b)), zróżnicowanej elewacji, która uniemożliwia nakładanie się wirów. Innym sposobem prze-  dodawanie otworów (Shanghai World Financial Center (Rys. 17c)), ciwdziałania oddziaływaniom wiatru jest strojony tłumik masowy (absorber wibracji).  Kiedy budynek zaczyna się kołysać w jedną stronę, wahadło z tą samą częstotliwością modyfikacja narożników (Tajpej 101 (Rys. 17d), Aqua Tower (Rys. 6)). odchyla się w stronę przeciwną, tłumiąc wibrację, a tym samym zmniejszając odchylenia budynku. W innych typach strojonych tłumików masowych umieszcza się elementy hydrauliczne, które zamieniają energię kinetyczną w ciepło. Absorbery wibracji umieszcza się nie tylko w górnej części budynku lub na dachu, ale również w elementach konstrukcji, np. w stalowej kratownicy.

a) b) c) d) Rys. 17. (a) Al Faisaliyah Complex, Rijad, Arabia Saudyjska (Foster&Partners); (b) Avaz Twist Tower, Sarajewo (Faruk Kapidžić); (c) Shanghai World Financial Center, Szanghaj, Chiny (Kohn Peder- sen&Associates); (d) Tajpej 101, Taipej, Tajwan (C.Y. Lee & Partners) (Opracował J. Szołomicki)

Z wszystkich możliwości modyfikacji narożników, zaokrąglenie krawędzi wykazuje najbardziej efektywne znaczenie dla udoskonalenia aerodynamicznych właściwości budyn- ków wysokich przeciwko oddziaływaniu wiatru (badania doświadczalne przeprowadzone przez Kawai [16]). W wyniku przeprowadzonych badań doświadczalnych [16] stwierdzono, że obciąże- Rys. 16. Schemat przyjmowania obszarów obciążenia budynków wysokich: a) wzdłuż wysokości, b) na nie wiatrem dla zaokrąglonych kształtów zostało zredukowane od 20 do 40 % w porówna- ścianie bocznej [14] niu z rzutem budynku w kształcie kwadratu lub prostokąta. Zaprojektowany kształt budynku Aqua Tower znacząco zmniejsza jego podatność i niedostateczne tłumienie drgań charakte- Aby nie zajmować cennej powierzchni użytkowej wieżowca pojawiły się pomysły in- rystyczne dla budynków wysokich spowodowane oddziaływaniem wiatru. Według projek- nych rozwiązań problemu drgań. Christopoulos i Montgomery [15] stworzyli system, który tantów, na początku uważano, że niezależny system tłumienia będzie konieczny dla kontroli rozkłada tłumienie w całym budynku używając wiskoelastycznego materiału lepkiego spojo- wzbudzenia wiatrem. Jednak po wyczerpujących analizach w tunelu aerodynamicznym nego ze stalą. Ich tłumik absorbuje drgania powstałe od wiatru lub trzęsienia ziemi stwierdzono, że zaokrąglona krawędź budynku w kształcie fali efektywnie zaburza opływo- i koncentruje uszkodzenia w poszczególnych partiach tłumika, które są łatwe do wymienienia we oddziaływanie wiatru wokół wieży, redukując obciążenie wiatrem oraz eliminując W fazie projektowania budynku wysokiego zaleca się przeprowadzać testy w tunelach potrzeby dodatkowego systemu tłumienia. Dla tak wysokiego budynku zlokalizowanego w aerodynamicznych. Tunele takie zaprojektowane są do symulacji zmian prędkości wiatru jednym z najbardziej wietrznych miast świata, brak dodatkowego systemu tłumienia na pewno jest ewenementem. 122 Jerzy Szołomicki, Piotr Berkowski

4. Podsumowanie

Niewątpliwie o budynku Aqua Tower możemy powiedzieć, że jest dziełem architektonicznym, w którym forma odgrywa najistotniejszą rolę. Dla osiągnięcia tej wspaniałej formy i, co się z nią bezpośrednio wiąże, konstrukcji, wykorzystano współczesną technolo- gię komputerową w postaci oprogramowania BEM. Analizę statyczną i wymiarowanie płyt stropowych, płyt balkonowych i fundamentów wykonano za pomocą programu SAFE. Natomiast analizę geometryczną fasady budynku przeprowadzono programem Grasshopper. Podstawowym zagadnieniem podczas projektowania było stworzenie takiej geometrii, która zredukuje opływowe oddziaływanie wiatru do akceptowalnego poziomu. Projektując ten budynek wykorzystano krzywiznę owijając wieżę mieszkalną w sinusoidalnie falujące balkony, co spowodowało, że powierzchnie każdego pietra tworzą inną formę. Niestety, pomimo wielu rozwiązań energooszczędnych popełniono błędy polegające na braku zastosowania izolacji na balkonach i dookoła okien. Prawdopodobnie wiąże się to z nieprzywiązywaniem szczególnej wagi do problemu strat cieplnych w USA.

Literatura:

1. Jasiński A. Znaczenie budynków wysokich i wysokościowych we współczesnej urbanistyce. Przestrzeń i Forma, 2010. 2. Rola P., Ryznar P., Stachura K. Powłokowy – prętowy budynek wysoki – wieża. Praca dyplo- mowa magisterska, Politechnika Świętokrzyska, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, 2012. 3. The Skyscraper Center, The Global Tall Building Database of the CTBUCH. 4. Nassery F. Formy geometryczne w architekturze współczesnej. Biblioteka cyfrowa Politechniki Krakowskiej. 5. Rychter Z. Wpływ kształtu wieżowców na jakość konstrukcji. Architecturae et Artibus, 2/2013. 6. Vahedi A. Nature as a source of inspiration of architectural conceptual design. Diploma Thesis, Eastern Mediterranean University, Gazimağusa, North Cyprus, 2009. 7. Vollers K. Morphological scheme of second-generation non-orthogonal high-rises. Proceed- ings of CTBUCH 8th World Congress, Dubai, 2008. 8. Gang J. Three points of residential high rise. Designing for social connectivity. CTBUCH Research Paper, 2015. 9. Zacks S. The art of nesting. Metropolis Magazine, June 2008. 10. CTBUCH – The Global Tall Building Database. Skyscraper center. 11. Stephens S. Aqua Tower. www.chicagoarchitecture.info/Building/913/Aqua.php. 12. Lstiburek J., Fellow A. The truth is out there: efficiency and iconic architecture can co-exist, Journal of Building Enclosure Design, 2013. 13. Lipecki T. Oddziaływanie wiatru na budynki wysokie w świetle badań własnych i ujęć normo- wych. Budownictwo Architektura 12(2), 2013. 14. EC1:PN-EN 1991-1-1 Actions on structures – Part 1-1: General actions – Densities, self- weight, imposed loads for buildings. 15. Montgomery M., Christopoulos C. Experimental validation of viscoelastic coupling dampers for enhanced dynamic performance of high-rise buildings, Journal of Structural Engineering 2015. 16. Kawai H. Effect of corner modifications on aeroelastic instabilities of tall buildings, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 43(3) (1998).

Aqua Tower w Chicago – nieenergooszczędny ekologiczny wieżowiec ... 123

4. Podsumowanie Aqua Tower in Chicago

Niewątpliwie o budynku Aqua Tower możemy powiedzieć, że jest dziełem architek- – non-energy efficient ecological skyscraper tonicznym, w którym forma odgrywa najistotniejszą rolę. Dla osiągnięcia tej wspaniałej (icon of modernist architecture) formy i, co się z nią bezpośrednio wiąże, konstrukcji, wykorzystano współczesną technolo- gię komputerową w postaci oprogramowania BEM. Analizę statyczną i wymiarowanie płyt Jerzy Szołomicki, Piotr Berkowski stropowych, płyt balkonowych i fundamentów wykonano za pomocą programu SAFE. Natomiast analizę geometryczną fasady budynku przeprowadzono programem Grasshopper. Division of Building Physics and Computational Design Methods, Podstawowym zagadnieniem podczas projektowania było stworzenie takiej geometrii, Faculty of Civil Engineering, Wroclaw University of Technology, e–mail: [email protected], [email protected] która zredukuje opływowe oddziaływanie wiatru do akceptowalnego poziomu. Projektując ten budynek wykorzystano krzywiznę owijając wieżę mieszkalną w sinusoidalnie falujące Abstract: The aim of the paper is to present and analyze the ecological skyscraper balkony, co spowodowało, że powierzchnie każdego pietra tworzą inną formę. Aqua Tower, icon of modernist architecture. The main idea of development of Aqua Tower Niestety, pomimo wielu rozwiązań energooszczędnych popełniono błędy polegające concept was creation of ecological building with original architecture used for residential na braku zastosowania izolacji na balkonach i dookoła okien. Prawdopodobnie wiąże się to and hotel purposes. Chicago skyscraper is equipped with irregularly spaced balconies z nieprzywiązywaniem szczególnej wagi do problemu strat cieplnych w USA. forming a "shell" which cover the main orthogonal core structure. Designed shape of the building significantly reduces its vulnerability and inadequate damping of vibrations caused Literatura: by the impact of the wind which is typical for high-rise buildings. In the first part of the paper various geometric forms of modern high-rise buildings are analyzed. Subsequently 1. Jasiński A. Znaczenie budynków wysokich i wysokościowych we współczesnej urbanistyce. was characterized Aqua Tower skyscraper in terms of architecture and design, taking into Przestrzeń i Forma, 2010. account the effect of wind and aspect of ecology and energy efficiency. The Aqua Tower 2. Rola P., Ryznar P., Stachura K. Powłokowy – prętowy budynek wysoki – wieża. Praca dyplo- building is an amazing masterpiece that shows how concrete can be creatively used to get mowa magisterska, Politechnika Świętokrzyska, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, 2012. outstanding architecture and extremely strength construction. The whole set of environmen- 3. The Skyscraper Center, The Global Tall Building Database of the CTBUCH. tal solutions which include, among other things, a system of rainwater storage and energy 4. Nassery F. Formy geometryczne w architekturze współczesnej. Biblioteka cyfrowa Politechniki efficient lighting was employed. Green vegetation placed between the horizontal divisions Krakowskiej. clearly marked façade and gives the impression of strong coupling, so contrasting are 5. Rychter Z. Wpływ kształtu wieżowców na jakość konstrukcji. Architecturae et Artibus, 2/2013. concrete and greenery. Greene roof terrace on the three-floor podium creates an image of 6. Vahedi A. Nature as a source of inspiration of architectural conceptual design. Diploma "geometric naturalism", which not only gives aesthetic effect, but also lowers the ambient Thesis, Eastern Mediterranean University, Gazimağusa, North Cyprus, 2009. temperature. 7. Vollers K. Morphological scheme of second-generation non-orthogonal high-rises. Proceed- Keywords: Aqua Tower; high-rise buildings, geometrical forms, ecology. ings of CTBUCH 8th World Congress, Dubai, 2008. 8. Gang J. Three points of residential high rise. Designing for social connectivity. CTBUCH Research Paper, 2015. 9. Zacks S. The art of nesting. Metropolis Magazine, June 2008. 10. CTBUCH – The Global Tall Building Database. Skyscraper center. 11. Stephens S. Aqua Tower. www.chicagoarchitecture.info/Building/913/Aqua.php. 12. Lstiburek J., Fellow A. The truth is out there: efficiency and iconic architecture can co-exist, Journal of Building Enclosure Design, 2013. 13. Lipecki T. Oddziaływanie wiatru na budynki wysokie w świetle badań własnych i ujęć normo- wych. Budownictwo Architektura 12(2), 2013. 14. EC1:PN-EN 1991-1-1 Actions on structures – Part 1-1: General actions – Densities, self- weight, imposed loads for buildings. 15. Montgomery M., Christopoulos C. Experimental validation of viscoelastic coupling dampers for enhanced dynamic performance of high-rise buildings, Journal of Structural Engineering 2015. 16. Kawai H. Effect of corner modifications on aeroelastic instabilities of tall buildings, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 43(3) (1998).

Budownictwo i Architektura 15(3) (2016) 125-134

Modyfikacja spoiwa wapiennego gipsem oraz metakaolinitem

Przemysław Brzyski, Katarzyna Świderczuk

Katedra Budownictwa Ogólnego, Wydział Budownictwa i Architektury, Politechnika Lubelska, e-mail: [email protected], [email protected]

Streszczenie: Wapno od tysięcy lat wykorzystywane jest jako materiał budowlany. W dzisiejszych czasach, z uwagi na jego niską wytrzymałość mechaniczną i małą odporność na warunki atmosferyczne zmniejszono lub nawet zaniechano jego wykorzystanie w budownictwie. Ten naturalny budulec korzystnie wpływa na mikroklimat wewnątrz budyn- ków, a dzięki zasadowemu odczynowi zapobiega powstawaniu pleśni. Stosowanie wapna jako zamiennika tradycyjnych materiałów, do których można zaliczyć np. cement przyniesie korzyści nie tylko ekologiczne ale i ekonomiczne. W pracy opisano badania własne podstawowych właściwości fizyko-mechanicznych modyfikowanych spoiw wapiennych. W celu podwyższenia niekorzystnych parametrów wapna, zmodyfikowano spoiwo zmienną ilością gipsu w ilościach 10 %, 15 %, 20 % masy spoiwa oraz różną zawartością wody poprzez wskaźnik woda/spoiwo W/S: 0,65, 0,7, 0,75 dla mieszanki z 15 % zawartością gipsu. W wszystkich recepturach zastosowano stałą ilość metakaolinitu równą 10 % masy spoiwa. Przeprowadzono test wytrzymałości na zginanie i ściskanie po 7 dniach oraz badania gęstości, porowatości i nasiąkliwości spoiw. Przy wzroście zawartości gipsu odnotowano wzrost parametrów wytrzymałościowych i spadek nasiąkliwości przy niewielkich zmianach porowatości. Dużo większe różnice zaobserwowano przy modyfikacji W/S: wraz z jego spadkiem wzrastała wytrzymałość spadała nasią- kliwość i porowatość. Słowa kluczowe: wapno, gips, metakaolinit, wytrzymałość, nasiąkliwość, gęstość, po- rowatość.

1. Wstęp

W obecnych czasach przemysł budowlany, nie tylko specjalny, ale również mieszkaniowy, małogabarytowy zdominowany jest przez materiały wytwarzane sztucznie. Najpopu- larniejszym z nich jest cement portlandzki, wykorzystywany niemal na każdej budowie, bez którego w opinii wielu inżynierów niemożliwe jest stworzenie wytrzymałej konstrukcji. Nie dawniej niż sto lat temu, gdy stosowanie tego materiału wiążącego nie było tak spopulary- zowane, ludzie wykorzystywali między innymi surowce naturalne jak wapno czy glina do budowy trwałych budynków, a wiele z nich jak choćby te drewniane, wybudowane kilka wieków temu stoją do dnia dzisiejszego. Zarówno spoiwa wapienne jak i gipsowe są jednymi z najstarszych materiałów wiążą- cych, towarzyszących człowiekowi od tysięcy lat. Jak podaje [1] i [2], już starożytni Rzy- mianie wykorzystywali modyfikowane (np. naturalnymi pucolanami – popiołami wulka- nicznymi) mieszanki wapienne jako spoiwo w swoich słynnych budowlach (np. Koloseum, akwedukty) oraz produkowali z nich zaprawy. W sytuacji gdy budownictwo zrównoważone i ekologiczne staje się coraz bardziej popularne nie tylko przy projektowaniu domów 126 Przemysław Brzyski, Katarzyna Świderczuk jednorodzinnych ale nawet w nowoczesnych rozwiązaniach technologicznych spoiwa naturalne stają się coraz bardziej pożądanym materiałem. Dotychczasowe zastosowanie wspomnianych materiałów naturalnych było szeroko wykorzystywane w technikach renowacyjnych i dekoracyjnych budynków zabytkowych. W pracach tych skupiano się zazwyczaj na odtworzeniu historycznych składów mieszanek, na których powinny się wzorować współczesne badania i analizy spoiw wapienno gipsowych dążące do uzyskanie jak najlepszych efektów wytrzymałościowych i fizyko- chemicznych co widać w pracach [3] i [4]. Zaletą wapna hydratyzowanego jako spoiwa są jego właściwości wpływające korzystnie na mikroklimat wewnątrz budynków, który w dużym stopniu oddziałuje na organizm ludzki. Tynki wapienne wykazują zdolności regulowania poziomu wilgotności w pomiesz- czeniach. Wysoka paroprzepuszczalność tynków oraz zasadowy odczyn wapna czyni ten materiał wolnym od ryzyka rozwoju pleśni. Wapno znajduje zastosowanie w ochronie środowiska, np. w oczyszczaniu spalin ze spalania węgla, w instalacjach odsiarczających i przy usuwaniu metali ciężkich. Stosowane jest przy uzdatnianiu wody oraz przy oczyszczaniu ścieków. Wapno jest bardziej odporne na zarysowania pod wpływem odkształceń konstrukcji w porównaniu ze spoiwem cementowym. Kamień gipsowy, z którego wykonuje się gips półwodny, podobnie jak wapno nie zawiera szkodliwych związków chemicznych, a jego niska temperatura prażenia czyni z niego materiał o aspektach ekologicznych. Spoiwa gipsowe, dzięki korzystnym właściwościom tego surowca można stosować do wykonywania tynków hipoalergicznych. Spoiwo to nie wydziela zapachu ani szkodliwych człowiekowi substancji. Ponadto powierzchnie gipsowe nie przyciągają kurzu gdyż nie gromadzą się na niej ładunki elektrostatyczne. Stosowanie wapna oraz gipsu - naturalnych materiałów budowlanych, może z powo- dzeniem zastąpić w wielu przypadkach cement, zwłaszcza jeśli zostanie zmodyfikowane konkretnymi dodatkami polepszającymi jego niekorzystne właściwości fizyczne i wytrzy- małościowe. Wykorzystanie naturalnych materiałów konstrukcyjnych jako substytutu dotychczas stosowanych produktów tradycyjnych niesie ze sobą wiele korzyści zarówno ekologicznych jak i ekonomicznych. Celem pracy było określenie wpływu modyfikacji spoiwa wapiennego zawierającego stałą ilość metakaolinitu, zmienną ilością gipsu. Przeprowadzono podstawowe badania wytrzymałościowe (wytrzymałość na zginanie oraz ściskanie po 7 dniach) oraz zbadano właściwości fizyczne takie jak gęstość, porowatość oraz nasiąkliwość spoiw.

2. Metody badań i wykorzystane materiały 2.1. Materiały Wapno hydratyzowane jest spoiwem powietrznym o niskich parametrach mechanicznych. Podwyższenie wytrzymałości realizowane może być poprzez modyfikacje np. dodatkami pucolanowymi, takimi jak zeolit, mikrokrzemionka, metakaolinit wg [5,6,7]. Dodatki pucolanowe wchodząc, w obecności wilgoci, w reakcję chemiczną z wodorotlenkiem wapnia powodują utworzenie związków o właściwościach hydraulicznych – uwodniony krzemian wapnia lub glinokrzemian wapnia. Pucolany poprawiają ponadto właściwości użytkowe spoiwa takie jak urabialność i konsystencja. W pracy zastosowano wapno hydratyzowane CL90 – o minimalnej zawartości 2 Ca(OH)2 90 %, charakteryzujące się powierzchnią właściwą ok. 15000 cm /g. Wraz z powierzchnią właściwą rośnie strefa kontaktu co implikuje szybszy proces karbonatyzacji. Fakt ten narzuca konieczność przechowywania wapna w sposób nienarażający go na działa- Modyfikacja spoiwa wapiennego gipsem oraz metakaolinitem 127 jednorodzinnych ale nawet w nowoczesnych rozwiązaniach technologicznych spoiwa nia powietrza i wilgoci, gdyż inaczej utraci swoje właściwości wiążące. Wapno hydratyzo- naturalne stają się coraz bardziej pożądanym materiałem. wane w obecności wilgoci oraz dwutlenku węgla z atmosfery wiąże i twardnieje w długo- Dotychczasowe zastosowanie wspomnianych materiałów naturalnych było szeroko trwałym procesie karbonatyzacji, opisanym równaniem reakcji (1). wykorzystywane w technikach renowacyjnych i dekoracyjnych budynków zabytkowych. Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H20 (1) W pracach tych skupiano się zazwyczaj na odtworzeniu historycznych składów mieszanek, na których powinny się wzorować współczesne badania i analizy spoiw wapienno gipso- Podczas badań wykorzystano metakaolinit jako częściowy zamiennik wapna, w ilości wych dążące do uzyskanie jak najlepszych efektów wytrzymałościowych i fizyko- 10 %. Jest to wysoce reaktywny materiał pucolanowy, powstający poprzez prażenie kaolinu chemicznych co widać w pracach [3] i [4]. gliniastego w temperaturze 600°C - 850°C. W jego składzie dominuje uwodniony dikrze- Zaletą wapna hydratyzowanego jako spoiwa są jego właściwości wpływające korzyst- mian glinu Al2Si2O5(OH)4. Dodatek metakaolinitu ma na celu polepszenie właściwości nie na mikroklimat wewnątrz budynków, który w dużym stopniu oddziałuje na organizm wytrzymałościowych wapna. Reaguje on z wodorotlenkiem wapnia obecnym w spoiwie ludzki. Tynki wapienne wykazują zdolności regulowania poziomu wilgotności w pomiesz- wapiennym według reakcji (2) i (3). czeniach. Wysoka paroprzepuszczalność tynków oraz zasadowy odczyn wapna czyni ten CH + S → CSH (2) materiał wolnym od ryzyka rozwoju pleśni. Wapno znajduje zastosowanie w ochronie środowiska, np. w oczyszczaniu spalin ze spalania węgla, w instalacjach odsiarczających CH + S + A → C2ASH8 (3) i przy usuwaniu metali ciężkich. Stosowane jest przy uzdatnianiu wody oraz przy oczysz- Jako kolejny zamiennik spoiwa wapiennego, w zmiennej ilości (10 %, 15 %, 20 %) czaniu ścieków. Wapno jest bardziej odporne na zarysowania pod wpływem odkształceń zastosowano inne spoiwo powietrzne – gips budowlany. Gips półwodny (CaSO4 * 1/2 H2O) konstrukcji w porównaniu ze spoiwem cementowym. jest to wyprażona w temperaturze 150°C – 190°C, zmielona na proszek skała gipsowa. Jego Kamień gipsowy, z którego wykonuje się gips półwodny, podobnie jak wapno nie za- zaletą jest szybki początek czasu (min. 5 minut) i końca wiązania (max. 20 minut). Przy wiera szkodliwych związków chemicznych, a jego niska temperatura prażenia czyni z niego zachowaniu stosunku W/G = 0,5, po 1 godzinie możliwa jest do osiągnięcia wytrzymałość materiał o aspektach ekologicznych. Spoiwa gipsowe, dzięki korzystnym właściwościom na ściskanie min. 9 MPa. tego surowca można stosować do wykonywania tynków hipoalergicznych. Spoiwo to nie Procesowi wiązania gipsu towarzyszy wydzielanie się ciepła, co przedstawiają rekcje wydziela zapachu ani szkodliwych człowiekowi substancji. Ponadto powierzchnie gipsowe (4) i (5). nie przyciągają kurzu gdyż nie gromadzą się na niej ładunki elektrostatyczne. Stosowanie wapna oraz gipsu - naturalnych materiałów budowlanych, może z powo- CaSO4 · 0,5 H2O + 1,5 H2O → CaSO4 · 2H2O + Q1 (∆H < 0) (4) dzeniem zastąpić w wielu przypadkach cement, zwłaszcza jeśli zostanie zmodyfikowane CaSO4 +2 H2O → CaSO4 · 2H2O + Q2 (∆H < 0) (5) konkretnymi dodatkami polepszającymi jego niekorzystne właściwości fizyczne i wytrzy- małościowe. Wykorzystanie naturalnych materiałów konstrukcyjnych jako substytutu By proces przygotowania spoiw gipsowych był należycie wykonany, a także w celu by dotychczas stosowanych produktów tradycyjnych niesie ze sobą wiele korzyści zarówno mieszanka została odpowiednio zagęszczona i ułożona dodaje się opóźniacze wiązania. ekologicznych jak i ekonomicznych. Dodatek taki wynosi zwykle 0,1 - 0,5 % masy gipsu, co przesuwa początek wiązania do 25- Celem pracy było określenie wpływu modyfikacji spoiwa wapiennego zawierającego 30 minut. Jako naturalne opóźniacze stosowane są koloidy np. kazeiny. Powszechnie stałą ilość metakaolinitu, zmienną ilością gipsu. Przeprowadzono podstawowe badania stosowanym opóźniaczem wiązania gipsu jest kwas winowy, który zmniejsza szybkość wytrzymałościowe (wytrzymałość na zginanie oraz ściskanie po 7 dniach) oraz zbadano rozpuszczania się gipsu w wodzie. właściwości fizyczne takie jak gęstość, porowatość oraz nasiąkliwość spoiw. 2.2. Skład mieszanek wapiennych 2. Metody badań i wykorzystane materiały Analizie poddano dwie serie próbek spoiwa wapiennego. Pierwsza z nich zawierająca stałą ilość metakaolinitu została modyfikowana zmienną zawartością gipsu. W drugiej serii 2.1. Materiały zmieniano zawartość wody w stosunku do składników. Zaczynem porównawczym była Wapno hydratyzowane jest spoiwem powietrznym o niskich parametrach mechanicz- receptura pierwsza, nie zawierająca dodatku gipsu. Procentowe zawartości składników nych. Podwyższenie wytrzymałości realizowane może być poprzez modyfikacje np. dodat- w poszczególnych mieszankach zamieszczone są w Tab. 1. i w Tab. 2. kami pucolanowymi, takimi jak zeolit, mikrokrzemionka, metakaolinit wg [5,6,7]. Dodatki pucolanowe wchodząc, w obecności wilgoci, w reakcję chemiczną z wodorotlenkiem Tabela 1. Procentowy skład projektowanych mieszanek wapiennych o zmiennej zawartości gipsu (seria I) wapnia powodują utworzenie związków o właściwościach hydraulicznych – uwodniony [źródło własne] krzemian wapnia lub glinokrzemian wapnia. Pucolany poprawiają ponadto właściwości Lp. Oznaczenie Wapno [%] Metakaolinit [%] Gips [%] W/S użytkowe spoiwa takie jak urabialność i konsystencja. 1 0 % 90 10 0 0,70 W pracy zastosowano wapno hydratyzowane CL90 – o minimalnej zawartości 2 10 % 80 10 10 0,70 2 Ca(OH)2 90 %, charakteryzujące się powierzchnią właściwą ok. 15000 cm /g. Wraz 3 15 % 75 10 15 0,70 z powierzchnią właściwą rośnie strefa kontaktu co implikuje szybszy proces karbonatyzacji. 4 20 % 70 10 20 0,70 Fakt ten narzuca konieczność przechowywania wapna w sposób nienarażający go na działa- 128 Przemysław Brzyski, Katarzyna Świderczuk

Tabela 2. Procentowy skład projektowanych mieszanek wapiennych o zmiennym W/S (seria II) [źródło własne] Lp. Oznaczenie Wapno [%] Metakaolinit [%] Gips [%] W/S 3a 0,65 W/S 75 10 15 0,65 3b 0,7 W/S 75 10 15 0,70 3c 0,75 W/S 75 10 15 0,75

Rys. 1. Schemat rozstawu podpór w metodzie trójpunktowego zginania

Badania przeprowadzono po 7 dniach w celu określenia wczesnych właściwości wy- trzymałościowych zaczynów. Próbki podczas testów niszczących przedstawione są na Rysunku 2. Modyfikacja spoiwa wapiennego gipsem oraz metakaolinitem 129

2.3. Przygotowanie mieszanek Wszystkie naturalne składniki wymieszano manualnie na sucho, po czym wsypano je do odmierzonej w odpowiednich proporcjach ilości wody. Mieszano zarób przez 90 sekund od chwili, gdy całość została umieszczona w naczyniu z odmierzoną ilością wody. Mieszan- kę układano i dwukrotnie wibrowano, po wypełnieniu połowy a następnie całości trójdziel- nej formy do beleczek, przez łączny czas 40 sekund. Zaczyny 3a-3c oraz 4 rozformowano po 4 godzinach, natomiast pozostałe dwa z 10-procentową zawartością gipsu w tym jedną tylko z 10-procentową zawartością metakaolinitu rozformowano z powodu ich późniejszego Rys. 2. Próbki wapienno gipsowe podczas badania wytrzymałości na zginanie (po lewej) i wytrzymałości na twardnienia po 2 dniach. Próbki po rozformowaniu przechowywane były w warunkach ściskanie (po prawej) powietrzno-suchych w temperaturze 20 ± 2°C i wilgotności powietrza 60 ± 5 % przez 7 dni. Pomiarów wilgotności i temperatury dokonywano za pomocą termohigrometru cyfrowego. 2.5. Badanie nasiąkliwości 2.4. Badanie wczesnej wytrzymałości na zginanie i ściskanie Badanie nasiąkliwości przeprowadzono wg PN-EN 13755:2008 na trzech beleczkach Badanie wytrzymałości na zginanie przeprowadzono metodą trójpunktowego zginania o wymiarach 40 x 40 x 160 mm, które zostały uprzednio wysuszone do stałej masy. wg. schematu na Rys. 1 dla każdej receptury na 3 próbkach o wymiarach 40 x 40 x 160 mm. W badaniu kontrolowany był codzienny przyrost masy próbek nasączanych wodą, aż do Wytrzymałość na ściskanie oznaczono na połowach przełamanych w poprzednim badaniu uzyskania stanu całkowitego nasycenia wodą. Beleczki pierwszego dnia zostały zanurzone beleczkach, zgodnie z normą PN-EN 1015-11. Niszczące testy przeprowadzono przy użyciu do połowy w wodzie, natomiast w kolejnych znajdowały się już całkowicie pod wodą. Stan maszyny wytrzymałościowej CONTROLS (Rys.2), przy przyroście obciążenia głowicy maksymalnego nasycenia wodą osiągnęły po 3 dniach badania. równym 50 N/s. Koniec badania następował po osiągnięciu maksymalnych sił niszczących próbkę. 2.6. Badanie gęstości i porowatości Określenie gęstości objętościowej i porowatości wykonano zgodnie z normą PN-EN 1936:2010. W badaniu wykorzystano po trzy próbki z każdej receptury, o wymiarach 40 x 40 x 160 mm. Beleczki o znanej objętości wysuszono do stałej masy a następnie zważono i wyliczono gęstość pozorną za pomocą wzoru (6) i gęstość właściwą, czyli stosunek masy próbki do jej objętości bez uwzględnienia porów, którą określono metodą piknometryczną na podstawie normy EN 1936:2010.

ms 0  (6) V0

gdzie: 0 – gęstość pozorna, ms – masa próbki w stanie suchym, V0 – objętość próbki z uwzględnieniem porów. Próbkę spoiwa sproszkowano do frakcji < 0,063 mm przy pomocy młynka kulowego. Na podstawie wyznaczonych gęstości oraz zależności (7) wyliczono porowatość całkowitą Rys. 1. Schemat rozstawu podpór w metodzie trójpunktowego zginania spoiwa  Badania przeprowadzono po 7 dniach w celu określenia wczesnych właściwości wy- P s 0 100% (7)  trzymałościowych zaczynów. Próbki podczas testów niszczących przedstawione są na s Rysunku 2. gdzie: P – porowatość całkowita, 0 – gęstość pozorna, s – gęstość właściwa. 130 Przemysław Brzyski, Katarzyna Świderczuk

3. Zestawienie i analiza wyników 3.1. Parametry wytrzymałościowe Głównym celem dodatku gipsu do spoiwa wapiennego była poprawa wytrzymałości wczesnej oraz przyspieszenie czasu wiązania. Analizując otrzymane wyniki badanych właściwości mechanicznych można zauważyć kilka zależności. Ilość dodatku gipsu, a także stosunek W/S miały znaczący wpływ na wartość 7-dniowej wytrzymałości spoiw. Na Rys. 3. i Rys. 4. zobrazowano wpływ zwiększania procentowego udziału gipsu w spoiwie oraz zmianę W/S na właściwości wytrzymałościowe badanych próbek. Przedstawione wyniki są uśrednioną wartością z wyników uzyskanych dla 3 próbek. Na wykresach pokazano również słupki błędów pokazujące odchylenie od wartości średniej.

Rys. 3. Uśrednione wyniki wytrzymałości na zginanie zaczynów serii I (po lewej) i serii II (po prawej)

Rys. 4. Uśrednione wyniki wytrzymałości na ściskanie zaczynów serii I (po lewej) i serii II (po prawej) Modyfikacja spoiwa wapiennego gipsem oraz metakaolinitem 131

3. Zestawienie i analiza wyników Zaobserwowano znaczną poprawę wczesnej wytrzymałości na ściskanie wraz ze zwiększaniem zawartości gipsu kolejno o 10%, 15% i 20% w stosunku do wartości bazo- 3.1. Parametry wytrzymałościowe wej. Przy największym badanym udziale gipsu w spoiwie wytrzymałość ta wzrosła dwu- Głównym celem dodatku gipsu do spoiwa wapiennego była poprawa wytrzymałości krotnie w porównaniu do próbki wzorcowej bez gipsu. Zmodyfikowanie zaprawy wapiennej wczesnej oraz przyspieszenie czasu wiązania. Analizując otrzymane wyniki badanych gipsem w ilości 10% powodowało wzrost wytrzymałości o 40%. Wzrost zawartości gipsu w właściwości mechanicznych można zauważyć kilka zależności. Ilość dodatku gipsu, a także kolejnych próbkach o 5% i tym samym zmniejszenie wapna o tą samą wartość skutkowało stosunek W/S miały znaczący wpływ na wartość 7-dniowej wytrzymałości spoiw. Na zwiększeniem się wytrzymałości na ściskanie o ok. 24% w stosunku do wytrzymałości Rys. 3. i Rys. 4. zobrazowano wpływ zwiększania procentowego udziału gipsu w spoiwie próbki zwiększonej o 10%. Zmniejszanie W/S początkowo do 0,7, a następnie do 0,65 oraz zmianę W/S na właściwości wytrzymałościowe badanych próbek. Przedstawione spowodowało wzrost wytrzymałości kolejno o 31% i 76% w stosunku do wartości dla wyniki są uśrednioną wartością z wyników uzyskanych dla 3 próbek. Na wykresach poka- próbki W/S 0,75. zano również słupki błędów pokazujące odchylenie od wartości średniej. Zwiększanie zawartości gipsu nie wpłynęło znacząco na wytrzymałość na zginanie. Można jednak zauważyć dużą niejednorodność otrzymanych wyników. Zwiększenie W/S z 0,65 do 0,75 wpłynęło za to zdecydowanie na zmniejszenie wytrzymałości o ok. 42%. Metakaolinit również powoduje znaczny wzrost wytrzymałości spoiwa wapiennego, jednak efekt jest widoczny bardziej po dłuższym okresie dojrzewania spoiwa lub zapraw wapiennych. Dodatek metakaolinitu w jednakowej ilości w każdej recepturze miał posłużyć jako składnik wzorcowego spoiwa (90% wapno + 10% metakaolinit), dlatego że nie byłoby możliwości miarodajnego sprawdzenia wytrzymałości samego spoiwa wapiennego po 7 dniach, z uwagi na powolny proces twardnienia. Analiza wpływu metakaolinitu na właści- wości spoiwa w badaniach własnych została pominięta, jednak na podstawie literatury [5], [6] i [7] stwierdzić można, że zwiększanie ilości tej pucolany w składzie spoiwa zwiększa jego wytrzymałość. 3.2. Właściwości fizyczne Wyniki badań właściwości fizycznych: nasiąkliwości wagowej, gęstości (pozornej, właściwej) i porowatości całkowitej zestawiono w Tab. 3. i Tab. 4.

Tabela 3. Zestawienie uśrednionych wyników zbadanych właściwości fizycznych dla serii I

Rys. 3. Uśrednione wyniki wytrzymałości na zginanie zaczynów serii I (po lewej) i serii II (po prawej) Lp. Oznaczenie Nasiąkliwość Gęstość pozorna Gęstość właściwa Porowatość całkowita [%] [g/cm3] [g/cm3] [%] 1 0 % 34,29 1,04 2,49 58,24 2 10 % 33,60 1,00 2,39 58,19 3 15 % 33,37 1,00 2,39 58,16 4 20 % 32,88 1,00 2,39 58,24

Tabela 4. Zestawienie uśrednionych wyników zbadanych właściwości fizycznych dla serii II Lp. Oznaczenie Nasiąkliwość Gęstość pozorna Gęstość właściwa Porowatość całkowita [%] [g/cm3] [g/cm3] [%] 3a 0,65 W/S 32,15 1,02 2,39 57,33 3b 0,70 W/S 33,37 1,00 2,39 58,16 3c 0,75 W/S 35,45 0,96 2,33 58,81

Gęstość spoiw wapienno-gipsowych, zarówno właściwa jak i pozorna nie zmieniała się w sposób znaczący, niezależnie od ilości zawartego w nich gipsu. Różnicę rzędu 4% Rys. 4. Uśrednione wyniki wytrzymałości na ściskanie zaczynów serii I (po lewej) i serii II (po prawej) widać przy porównaniu zaczynów z gipsem i bez niego. Odnotowano również spadek 132 Przemysław Brzyski, Katarzyna Świderczuk gęstości przy wzroście wskaźnika W/S. Miało to związek z obecnością większej ilości porów, powstałych na skutek odparowania nadmiaru wody zarobowej. Uśrednione wyniki badania nasiąkliwości oraz porównane z nimi wyniki porowatości zestawiono dla obu serii na Rys. 5.

Rys. 5. Uśrednione wyniki badania nasiąkliwości i porowatości zaczynów serii i (po lewej) I serii II (po prawej)

W serii I największą nasiąkliwość osiągnęło spoiwo wapienne zmodyfikowane tylko 10-procentową zawartością metakaolinitu. Próbka z zaczynem gipsowym o wartości 10% charakteryzowała się nasiąkliwością tylko o 2% mniejszą od próbki bez dodatku gipsu. Zwiększając zawartość gipsu o 5% odnotowywano spadek nasiąkliwości o ok 1% w kolejno badanych próbkach. W serii II zwiększanie wskaźnika W/S spowodowało wzrost nasiąkli- wości o 4% i 10% w stosunku do próbki 0,65W/S. Zarówno spoiwo wapienne jak i gipsowe nie jest przeznaczone do zastosowań, które wymagałyby częstego lub nadmiernego kontaktu z wodą. Wapno hydratyzowane jako spoiwo do tynków ścian zewnętrznych zwiększa swą odporność na czynniki zewnętrzne poprzez długotrwały proces karbonatyzacji. Spotyka się również modyfikacje wapna, np. kazeiną – wg badań [8], zwiększając w ten sposób trwa- łość tynku. Porowatość, która została wyliczona na podstawie gęstości właściwej i pozornej, w serii I nie różniła się między kolejno badanymi próbkami. Dodatek gipsu nie wpłynął na zmiany porowatości całkowitej materiału, zatem zauważalny spadek nasiąkliwości nie jest spowodowany porowatością. Z analizy Rys. 4. wynika, że próbki zawierające większą ilość gipsu są bardziej odporne na działania czynników zewnętrznych z uwagi na stopień związa- nia spoiwa. Zwiększenie wskaźnika W/S spowodowało zwiększenie porowatości, co w konsekwencji doprowadziło do zwiększenia nasiąkliwości. W analizowanym przypadku zwiększanie o 5% ilości wody zwiększa porowatość nieco ponad 1%. Zbadane zaczyny charakteryzują się dużą porowatością z uwagi na konieczność wprowadzenia znaczenie Modyfikacja spoiwa wapiennego gipsem oraz metakaolinitem 133 gęstości przy wzroście wskaźnika W/S. Miało to związek z obecnością większej ilości większej ilości wody zarobowej, celem uzyskania założonej konsystencji, niż tej potrzebnej porów, powstałych na skutek odparowania nadmiaru wody zarobowej. do związania spoiw. W miejscu odparowanego nadmiaru wody, powstaje sieć porów. Uśrednione wyniki badania nasiąkliwości oraz porównane z nimi wyniki porowatości zestawiono dla obu serii na Rys. 5. 4. Wnioski

Modyfikacja spoiwa wapiennego gipsem przyspiesza czas wiązania, podwyższa wcze- sną wytrzymałość na ściskanie i obniża nasiąkliwość proporcjonalnie do zwiększania jego ilości. Zmniejszenie o 5% ilości wody w stosunku do masy spoiwa korzystniej wpływa na właściwości wytrzymałościowe i nasiąkliwość niż zwiększenie o tę samą wartość ilości gipsu w spoiwie wapiennym przy stałym wskaźniku W/S. Szybkowiążącym spoiwem gipsowym można polepszać wczesne parametry wytrzymałościowe spoiwa wapiennego jeśli są one pożądane w określonym zastosowaniu w budownictwie. Wysoka porowatość całko- wita blisko 60% wpływa korzystnie na zmniejszenie gęstości spoiwa, a także zapraw. W innych przypadkach cecha ta może również przyczynić się do poprawy parametrów izolacyjności termicznej materiałów na bazie przebadanego spoiwa, jednak należałoby przeprowadzić stosowne w tym celu testy. W dalszych badaniach planuje się przebadanie kompozytów na bazie danego spoiwa, docelowo jako materiałów ciepłochronnych. Wpływ metakaolinitu na właściwości spoiwa w niniejszych badaniach nie został sprawdzony, jednak zauważalnie wpływa on na parametry mechaniczne materiału, czego dowodem była wystarczająca twardość umożliwiająca rozformowanie próbki wzorcowej (90 % wapno + 10% metakaolinit) po 2 dniach. Dodatek gipsu do spoiwa wapiennego zwiększa jego wczesną wytrzymałość na ści- skanie i zginanie, dzięki czemu można przyspieszyć wykonanie kolejnych etapów prac budowlanych. Rys. 5. Uśrednione wyniki badania nasiąkliwości i porowatości zaczynów serii i (po lewej) I serii II (po prawej) Literatura

W serii I największą nasiąkliwość osiągnęło spoiwo wapienne zmodyfikowane tylko 1. Osiecka E. Wapno w budownictwie – tradycja i nowoczesność. Stowarzyszenie Przemysłu 10-procentową zawartością metakaolinitu. Próbka z zaczynem gipsowym o wartości 10% Wapienniczego, Kraków (2006). charakteryzowała się nasiąkliwością tylko o 2% mniejszą od próbki bez dodatku gipsu. 2. Czarnecki L., Łukowski P. Spoiwa wapienne – historia, stan obecny i perspektywy. Materiały Zwiększając zawartość gipsu o 5% odnotowywano spadek nasiąkliwości o ok 1% w kolejno Budowlane 10 (2008) 3-7. badanych próbkach. W serii II zwiększanie wskaźnika W/S spowodowało wzrost nasiąkli- 3. Auberta J. E., Seguia P., Hussona B., Measson M. A method developed to quantify lime and wości o 4% i 10% w stosunku do próbki 0,65W/S. Zarówno spoiwo wapienne jak i gipsowe gypsum consumed by mineral additions. Cement and Concrete Composites, August 34(7) nie jest przeznaczone do zastosowań, które wymagałyby częstego lub nadmiernego kontaktu (2012) 874–880. 4. Vimmrová A., Keppert M., Michalko O., Černý R. Calcined gypsum–lime–metakaolin binders: z wodą. Wapno hydratyzowane jako spoiwo do tynków ścian zewnętrznych zwiększa swą Design of optimal composition. Cement and Concrete Composites, September 52 (2014) 91– odporność na czynniki zewnętrzne poprzez długotrwały proces karbonatyzacji. Spotyka się 96. również modyfikacje wapna, np. kazeiną – wg badań [8], zwiększając w ten sposób trwa- 5. Tesarek P., Tydlitat V., Drchalova J., P. Rownanikowa P., Cerny R. Właściwości zaprawy łość tynku. wapiennej z dodatkiem metakaolinitu. Cement Wapno Beton, 4 (2005). Porowatość, która została wyliczona na podstawie gęstości właściwej i pozornej, w se- 6. Gameiro A., Santos Silva A., Faria P., Grilo J., Branco T., Veiga R., Velosa A. Physical and rii I nie różniła się między kolejno badanymi próbkami. Dodatek gipsu nie wpłynął na chemicalassessment of lime–metakaolin mortars: Influence of binder: aggregate ratio. Cement zmiany porowatości całkowitej materiału, zatem zauważalny spadek nasiąkliwości nie jest and Concrete Composites 45 (2014) 264–271. spowodowany porowatością. Z analizy Rys. 4. wynika, że próbki zawierające większą ilość 7. Łukowski P. Możliwości modyfikacji spoiwa wapiennego domieszkami i dodatkami. Materiały gipsu są bardziej odporne na działania czynników zewnętrznych z uwagi na stopień związa- Budowlane 10 (2010) 31-32,41. 8. Ventolà L., Vendrell M.,, Giraldez P., Merino L. Traditional organic additives improve lime nia spoiwa. Zwiększenie wskaźnika W/S spowodowało zwiększenie porowatości, co mortars: New old materials for restoration and building natural stone fabrics. Construction w konsekwencji doprowadziło do zwiększenia nasiąkliwości. W analizowanym przypadku and Building Materials 25 (2011) 3313–3318. zwiększanie o 5% ilości wody zwiększa porowatość nieco ponad 1%. Zbadane zaczyny charakteryzują się dużą porowatością z uwagi na konieczność wprowadzenia znaczenie 134 Przemysław Brzyski, Katarzyna Świderczuk

Modified lime binder with gypsum and metakaolin

Przemysław Brzyski, Katarzyna Świderczuk

Department of Construction, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Lublin University of Technology e-mail: [email protected], [email protected]

Abstract: Lime is used as a building material for thousands of years. Nowadays, due to its low mechanical strength and low resistance to weather conditions it is reduced or even discontinued its use in the construction industry. This natural building material has a positive effect on the microclimate inside buildings, and through alkaline nature, prevents the formation of mold. The use of lime as a replacement for traditional materials, like cement will bring not only environmental but also economic benefits. This paper describes the own study of basic physical and mechanical properties of modified lime binder. In order to improve the unfavorable performance of lime binder it was modified by variable quantity of gypsum in an amount of 10%, 15%, 20% by mass, and different water content by ratio water/binder 0.65, 0.7, 0.75 for a mixture which contains 15% of gypsum. In all formulations a constant amount of metakaolinite equal to 10% by weight of the binder was used. In the studies, after 7 days of maturation, a flexural and compressive strength test were performed. Also the density, porosity and water absorption of binder were examined. With an increase in the content of gypsum was an increase of strength parameters and a decrease in water absorption with minor changes in porosity. Much bigger differences were observed after the modification of water/binder ratio - with its decline the strength increased and the water absorption and porosity decreased. Keywords: lime, gypsum, metakaolin, strength, absorptivity, density, porosity.

Budownictwo i Architektura 15(3) (2016) 135-144

Badania zmian współczynnika filtracji w zależności od wskaźnika porowatości w gruntach słabonośnych

Marzena Jaromińska

Zakład Geotechniki I Budownictwa Drogowego, Instytut Budownictwa, Wydział Geodezji, Inżynierii Przestrzennej I Budownictwa, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski, e-mail:[email protected]

Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki analizy prostej regresji liniowej współczynnika filtracji k i wskaźnika porowatości e gruntów organicznych. Analizie poddano 8 próbek gytii mineralno-organicznej pochodzących z okolic Olsztyna. Opisano metodykę badań i przeanalizowano zależność e – log k przy pięciu stopniach obciążenia. W wyniku przeprowadzonej analizy stwierdzono, że modele regresji liniowej budowane na bazie tylko statystycznie istotnych wyników badań pozwalają wyjaśnić ponad 75% zmien- ności log k. Wysokie wartości statystyki F potwierdzają istotność modelu liniowego. Wyniki badań wskazują, że procedura badania edometrycznego nie uwzględnia wielu czynników, które mają wpływ na właściwości filtracyjne gruntu. Identyfikacja korelacji pomiędzy współczynnikiem filtracji i wskaźnikiem porowatości ma kluczowe znaczenie w rozpoznaniu mechanizmu powiązań między tymi cechami. Słowa kluczowe: współczynnik filtracji, grunt słabonośny, regresja liniowa.

1. Wprowadzenie

Coraz powszechniejsze lokalizowanie obiektów inżynierskich na gruntach organicznych powoduje wzrost zainteresowania zarówno cechami fizycznymi, jak i mechanicznymi tych gruntów. Niezbędna jest wiedza o parametrach związanych z odkształceniem oraz zmianą przepuszczalności gruntu pod zmieniającym się obciążeniem. Na tej podstawie możemy prognozować odkształcenia konsolidacyjne podłoża [1]. Znajomość tendencji zmian przepuszczalności gruntu w czasie, przy wzrastającej składowej pionowej napręże- nia, umożliwi przewidywanie, na podstawie parametrów początkowych, jakie właściwości filtracyjne będzie miał grunt po ustabilizowaniu osiadań [2]. Grunty organiczne mają bardzo niekorzystne parametry geotechniczne. Są gruntami słabymi. Cechuje je duża zmienność właściwości fizyko-mechanicznych [1, 3, 4]. Są bardzo wrażliwe na wszystkie kolejne etapy badania, począwszy od wyboru sposobu pobrania próbki aż do wyboru wykorzystanej aparatury i metody badań. Dlatego dosyć ważne wydaje się standaryzowanie wyników badań poprzez poszukiwanie istotnych związków cech gruntów. Trudno jest jednoznacznie stwierdzić, w jaki sposób poszczególne cechy gruntu kształtują jego przepuszczalność. Wszystkie właściwości w jakiś sposób są od siebie uzależnione a związki między nimi są różne i zmieniają się w czasie. Dotychczasowe badania zależności e – log k dla gruntów drobnoziarnistych najczę- ściej wykazują, że istnieje liniowa zależność pomiędzy tymi cechami [5, 6]. Wyniki do- świadczalne badań gytii mineralno-organicznej potwierdzają tezę o liniowej zależności pomiędzy współczynnikiem filtracji i wskaźnikiem porowatości, jednak dopiero po wykluczeniu „błędów” statystycznych. Obecność takich „błędów” dowodzi, że na przepuszczal- ność gruntu mają wpływ jeszcze inne czynniki [7, 8 , 9, 10]. 136 Marzena Jaromińska

W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań korelacji pomiędzy współczynni- kiem filtracji k oraz wskaźnikiem porowatości e, zmieniających się pod obciążeniem. Określono siłę tego związku oraz mechanizm powiązań między zmiennymi w postaci równań regresji.

2. Charakterystyka metody laboratoryjnych badań współczynnika filtracji k

Do analizy przebiegu zmian przepuszczalności gruntu wraz ze zmianą wskaźnika po- rowatości wykorzystano wyniki badań edometrycznych przy zmiennym spadku hydraulicz- nym. Były to badania konsolidacji jednoosiowej prowadzone metodą IL (incremental loading). Badania wykonano w klasycznych edometrach, typu ITB-ZW, przystosowanych do wyznaczania współczynnika filtracji. Wszystkie próbki poddawane były obciążeniom 0–200 kPa, w pięciu kolejnych stopniach. Współczynniki filtracji określane były przed pierwszym etapem konsolidacji oraz po zakończeniu konsolidacji przy każdym następnym stopniu obciążenia. Badania k prowadzono przy zablokowanym odkształceniu próbek, po upływie pięciu dób od momentu zakończenia konsolidacji. Zwiększenie obciążenia nastę- powało po umownej stabilizacji osiadań, tj. gdy zmiany wysokości próbki nie były większe niż 0,003 mm [11]. Czas konsolidowania próbek był bardzo długi i zmieniał się wraz z postępem konsolidacji i zmianą zdolności filtracyjnych gruntu. Przy pierwszym obciąże- niu, 12,5 kPa, całkowita zmiana wysokości próbki nastąpiła dopiero po ok. 20 miesiącach badania. Przy obciążeniu 25 kPa czas ten skrócił się o połowę, do ok. 9 miesięcy. Kolejne stadia badania trwały 4 i 3 miesiące. Kierunek przepływu wody był wymuszony od dołu do góry. Spadki hydrauliczne zmieniały się w zakresie od 30 do 120. Zastosowanie tak wysokich spadków wynikało z potrzeby zminimalizowania błędów pomiarowych, wynikających z mechanicznego przeciekania, głównie wzdłuż ścian pierścienia edometru, oraz z niewielkiej rozszerzalności bocznej [12]. Wykorzystane w analizie badania jednoosiowego ściskania pozwalają na dokładną obserwację zmian objętości gruntu pod wpływem obciążenia, umożliwiają określenie zmian porowatości gruntu i ilości przepływającej przez grunt wody przy wzrastających składowych pionowych naprężenia efektywnego. Wskaźniki porowatości e wyznaczono, posługując się formułą opisującą zależność między ei i hi [13]:

hi eei 001  e (1) h0 Dla każdej z 8 prób, przy pięciu kolejnych stopniach obciążenia, określono zależność współczynnika filtracji k od wskaźnika porowatości e, zbadano siłę korelacji między tymi zmiennymi oraz przeprowadzono badanie regresji liniowej.

3. Wyniki przeprowadzonych badań i ich analiza

Badanie zmienności współczynnika filtracji k w zależności od wskaźnika porowatości e oraz rodzaju tej zależności przeprowadzono dla wybranych prób gruntu organicznego z rejonu Olsztyna (Guzowy Młyn, Unieszewo, Różnowo). Do analizy wybrano 8 prób gytii mineralno-organicznej o zbliżonych cechach fizycznych (Tab. 1). Wszystkie właściwości gruntu były określane na podstawie normy PN-88/B-04481 i ogólnie znanych zależności [13]. Wartość średnia gęstości objętościowej ρ równa jest 1,14 g/cm3, gęstości właściwej Badania zmian współczynnika filtracji w zależności od ... 137

3 szkieletu gruntowego ρs = 2,21 g/cm a gęstości objętościowej szkieletu gruntowego 3 ρd = 0,26 g/cm . Minimalne wartości odchylenia standardowego potwierdzają niewielki rozrzut tych cech wokół ich średniej wartości. Podobnie niewiele różnią się w poszczegól- nych próbach porowatość n (nśr = 0,88) oraz stopień wilgotności Sr (Srśr = 0,982). Wartość środkowa (mediana) pokrywa się tu niemal z wartością średnią. Główną cechą, która determinowała wybór prób do badań była zawartość części organicznych. Dobrano próby tak, aby wyeliminować wpływ struktury gruntu na przebieg badania przepuszczalności. Średnia wartość COM równa jest 20,82%. Rozrzut wokół średniej wynosi 7,09. Jedyną cechą, która będzie brana pod uwagę, jako czynnik mający wpływ na zachowanie się gruntu pod obciążeniem a tym samym zmiany przepuszczalności gruntu wraz ze wzrostem obciążenia, będzie wskaźnik porowatości e. Odchylenie standardowe e stanowi 29,21% wartości średniej (eśr = 8,13). Wyniki badań współczynnika filtracji przedstawiono w tabeli 2. Podano zakres zmian wartości pomierzonych współczynników filtracji, pierwszy i ostatni pomiar przy danym obciążeniu oraz wartość średnią wszystkich pomiarów. Zbliżone właściwości fizyczne analizowanych gytii mineralno-organicznych skutkują podobnym zachowaniem się próby pod obciążeniem i podobną zmiennością współczynnika filtracji.

Tabela 1. Właściwości fizyczne analizowanych gytii

ρ ρs ρd w n e Com Sr [g/cm3] [g/cm3] [g/cm3] [%] [-] [-] [%] [-] Liczba pomiarów 8 8 8 8 8 8 8 8 Wartość minimalna 1,07 1,99 0,16 214,4 0,84 5,10 12,00 0,943 Wartość maksymalna 1,24 2,39 0,39 575,6 0,92 11,87 30,41 0,999 Średnia arytmetyczna 1,14 2,21 0,26 368,78 0,88 8,13 20,82 0,982 Odchylenie standardowe 0,06 0,17 0,08 132,67 0,03 2,37 7,09 0,02 Współczynnik zmienności 5,54 7,71 32,70 35,98 3,19 29,21 34,09 2,11 Mediana 1,13 2,21 0,25 344,60 0,88 7,70 20,48 0,990

W niemal wszystkich próbkach przepuszczalność zmienia się od nE-09 [m/s] dla ob- ciążenia 12,5 kPa do nE-1112 [m/s], max. nE-13 [m/s] dla 200 kPa. Wyjątkowo słabą przepuszczalnością charakteryzuje się próbka nr 7. Jest to gytia mineralno-organiczna, która wyróżnia się na tle analizowanych prób, najwyższym wskaźnikiem porowatości początko- wej (e = 11,868). Z kolei próba nr 5 wykazała szczególnie dużą przepuszczalność, od nE-07 [m/s] dla 12,5 kPa do nE-08 [m/s] dla 200 kPa. Żadna z określonych cech gruntu nie wyróżnia tej próby na tle pozostałych. Wyraźnie inny przebieg zmian współczynnika filtracji w zależności od naprężenia σ’, w przypadku tej próby widoczny jest na rysunku 1. Dla każdej próby określono również zależność współczynnika filtracji k od wskaźnika porowatości e oraz obliczono siłę zależności między tymi zmiennymi. Badania wykazały, że wraz z redukcją wskaźnika porowatości e przepuszczalność znacznie się zmienia. Ten- dencja tych zmian wprawdzie wykazuje dosyć wyraźną prawidłowość, ale nie zawsze może być opisana za pomocą funkcji liniowej. Na rysunku 2 pokazano przykładowe rozrzuty log k vs. e dla dwóch wybranych prób. W celu określenia siły oraz rodzaju powiązań miedzy zmiennymi obliczono współ- czynniki korelacji liniowej Pearsona wraz ze współczynnikami determinacji oraz obliczono równania regresji liniowej. 138 Marzena Jaromińska

Obliczenia statystyczne przeprowadzono przy 95% poziomie ufności (p ≤ 0,05). We- dług tak przyjętego poziomu ufności wartości zakreślone w tabeli 3 są błędami, nie od- zwierciedlają rzeczywistej zależności. Statystycznie zależności te nie są istotne.

Tabela 2. Zbiorcze zestawienie wyników badań współczynnika filtracji k [m/s] Nr Zakres wartości k [m/s] Obciążenie [kPa] próby Średnia wartość k [m/s] 12,5 25 50 100 200 P1 zakres 1,3E-08 9,5E-10 1,9E-10 1,4E-10 8,5E-11 3,4E-10 1,9E-10 1,4E-10 8,5E-11 3,4E-11 średnia 2,9E-09 2,64E-10 1,41E-10 1E-10 4,49E-11 P2 zakres 3,1E-08 1,6E-09 3,7E-10 1,1E-10 5,1E-11 4,6E-10 3,7E-10 1,1E-10 5,1E-11 1,4E-11 średnia 4,81E-09 4,35E-10 1,95E-10 5,6E-11 2,43E-11 P3 zakres 6,2E-09 1,1E-09 1,1E-10 2,2E-11 1E-11 3,8E-10 1,1E-10 2,2E-11 1E-11 7,4E-13 średnia 1,8E-09 1,78E-10 5,15E-11 2,4E-11 2,55E-11 P4 zakres 1,3E-08 9E-09 5,9E-10 2,7E-10 1,5E-10 1,9E-09 5,9E-10 3,2E-10 1E-10 1,2E-10 średnia 2,4E-08 1,41E-09 3,72E-10 1,06E-10 1,27E-10 P5 zakres 1,37E-07 1,4E-07 5,3E-0 4,2E-08 3,1E-08 1,15E-07 5,4E-08 4,2E-08 3,1E-08 1,8E-08 średnia 1,16E-07 8,14E-08 4,95E-08 3E-08 2,23E-08 P6 zakres 2,4E-08 3,1E-10 6,1E-11 7,9E-12 1,9E-12 5,9E-10 6,1E-11 7,9E-12 1,3E-12 2,6E-13 średnia 2,43E-09 1,32E-10 2,3E-11 2,2E-11 1,93E-11 P7 zakres 6,9E-08 1,6E-10 1,3E-11 6,2E-12 1E-13 5,8E-11 1,3E-11 6,2E-12 1E-13 7,8E-14 średnia 2,57E-09 2,41E-11 5,04E-12 5,96E-12 1,24E-13 P8 zakres 7,7E-08 4,1E-10 1,7E-11 1,3E-11 6,2E-13 5,9E-11 1,7E-11 1,3E-11 6,2E-13 9,8E-13 średnia 3,81E-09 6,62E-11 1E-11 3,01E-11 6,29E-12

Rys. 1. Zmiana współczynnika filtracji w zależności od naprężenia σ’ Badania zmian współczynnika filtracji w zależności od ... 139

Rys. 2. Zmiana współczynnika filtracji wraz ze zmianą wskaźnika porowatości

Tabela 3. Współczynniki korelacji i determinacji e – log k Nr współczynniki Obciążenie [kPa] próby 12,5 25 50 100 200 P1 r (X, Y) 0,78 0,45 0,41 0,52 0,60 r2 0,61 0,20 0,17 0,27 0,36 P2 r (X, Y) 0,87 0,87 0,75 0,46 0,47 r2 0,76 0,76 0,57 0,21 0,22 P3 r (X, Y) 0,92 0,83 0,40 0,61 0,43 r2 0,84 0,69 0,16 0,37 0,18 P4 r (X, Y) 0,72 0,45 0,83 0,53 0,45 r2 0,52 0,21 0,69 0,29 0,21 P5 r (X, Y) 0,13 0,86 0,73 0,85 0,94 r2 0,02 0,74 0,54 0,73 0,88 P6 r (X, Y) 0,90 0,85 0,09 0,65 0,49 r2 0,81 0,72 0,007 0,42 0,24 P7 r (X, Y) 0,82 0,68 0,21 0,75 0,42 r2 0,67 0,46 0,04 0,57 0,18 P8 r (X, Y) 0,78 0,94 -0,008 0,68 0,40 r2 0,61 0,88 0,00006 0,46 0,16

Aby opisać siłę związku pomiędzy współczynnikiem filtracji k a wskaźnikiem poro- watości e przyjęto klasyfikację J. P. Guilford’a [14]: r = 0 brak korelacji 0,0 < r ≤ 0,1 korelacja niska 0,1 < r ≤ 0,3 korelacja słaba 0,3 < r ≤ 0,5 korelacja przeciętna 0,5 < r ≤ 0,7 korelacja wysoka 0,7 < r ≤ 0,9 korelacja bardzo wysoka 0,9 < r < 1 korelacja prawie pełna r = 1 korelacja pełna Najsilniejsze korelacje stwierdzono dla dwóch pierwszych stopni obciążenia 12,5 kPa oraz 25 kPa. Występują tu korelacje wysokie, bardzo wysokie a nawet prawie pełne, dla których współczynniki determinacji r2 przekraczają 50%. W przypadku trzech próbek (P2, P4 i P5) tak silne związki zaobserwowano również przy obciążeniu 50 kPa. Jest to jedno- cześnie ten stopień obciążenia, w przypadku którego uzyskano najwięcej wyników nieistotnych statystycznie. Dosyć silne korelacje pojawiają się znów przy obciążeniu 100 kPa, ale 140 Marzena Jaromińska tylko w przypadku dwóch próbek (P5 i P7) współczynnik determinacji przekracza 50%. Przy obciążeniu 200 kPa korelację prawie pełną wykazała próbka nr 5 (r = 0,94), przy r2 = 0,88. W próbce P1 stwierdzono wprawdzie wysoką korelację (r = 0,6) ale r2 jest mniej- szy niż 50% (r2 = 0,36). W celu określenia rodzaju powiązań między zmiennymi e i log k oszacowano funkcje regresji liniowej prostej. Z analizy wykluczono te wyniki badań, które uznano za statystycznie nieistotne. Do deterministycznego równania log k = f(e) wprowadzono zmienną losową ui i założono, że rzeczywista zależność współczynnika filtracji k od wskaźnika porowatości e ma charakter stochastyczny. W ogólnej postaci model regresji liniowej prostej możemy zapisać jako:

log k = f(e, ui) (2) W analizie regresji przyjęto kilka podstawowych, standardowych założeń [15], tj. re- 2 lacja f jest stabilna, zmienna losowa ui ma rozkład normalny N (0, σ ), model jest liniowy względem parametrów

logke 10  ui (3) gdzie 0 i 1 to parametry strukturalne modelu, które szacuje się za pomocą metody naj- mniejszych kwadratów. Współczynnik regresji 1 informuje nas jakiej przeciętnej zmiany wartości zmiennej zależnej możemy się spodziewać, gdy wartość zmiennej niezależnej zmieni się o jedną jednostkę. Najważniejszym założeniem jest normalność rozkładu składnika losowego (ui) po- nieważ dopiero spełnienie tego założenia pozwala na przeprowadzenie wnioskowania statystycznego. Wyniki testu Shapiro-Wilka oraz wykresy normalności reszt nie dały podstaw do kwestionowania normalności rozkładu składnika losowego, a tym samym potwierdziły poprawność wyników analizy regresji. Tabela 4 przedstawia równania regresji liniowej z podziałem na grupy (zmienną gru- pującą jest obciążenie) oraz bez podziału na grupy – dla całego cyklu badania. Podano tu również wartość statystyki F, wartość współczynnika korelacji Pearsona r (X, Y) oraz w jakim stopniu model wyjaśnia zmienność współczynnika filtracji, czyli wartość współ- czynnika determinacji r2. Analiza równań regresji liniowej, bez podziału na grupy, wykazuje, że zmiana warto- ści wskaźnika porowatości e o 1 jednostkę powoduje zmianę wartości współczynnika filtracji k średnio o 0,7662. Współczynniki przesunięcia prostej regresji β0 kształtują się na poziomie od 8,1 (P5) do 15,2 (P7). Wykluczając próbkę P5, która zdecydowanie różni się od pozostałych, średni współczynnik przesunięcia będzie równy 13,76. Błędy standardowe estymacji (bez P5) wahają się od 0,27 do 0,56. To znaczy, że przewidywane wartości zmiennej log k różnią się od wartości empirycznych średnio o 0,44‰. Upraszczając mechanizm powiazań pomiędzy zmiennymi log k oraz e dla gytii mineralno- organicznej możemy zapisać równanie:

logke 0,77  13,76 0, 44 (4)

Wysokie wartości statystyk F, r (X, Y) oraz r2 potwierdzają statystyczną istotność modelu liniowego „oczyszczonych” prób. Zasadność aproksymacji liniowej wyjaśniają również wykresy rozrzutu log k vs. e (Rys. 3). W przeprowadzonej analizie pominięto przyczyny braku istotności statystycznej części wyników badań. Zagadnienia te są przedmiotem aktualnie prowadzonych analiz. Badania zmian współczynnika filtracji w zależności od ... 141

Tabela 4. Równania zależności e – log k Nr obciążenie Równanie zależności e – log k próbki Z podziałem na grupy Bez podziału na grupy P1 12,5 log k = 3,4419e - 26,51 ± 0,68 log k = 0,4247e – 11,42 ± 0,53 25 log k = 1,0525e - 14,17 ± 0,20 F (73,66) 50 log k = 0,45329e – 11,53 ± 0,16 r(X, Y) = 0,59 2 100 log k = 0,21776e – 10,65 ± 0,05 r = 0,35 200 log k = 0,50396e – 11,57 ± 0,09 P2 12,5 log k = 3,4435e – 24,53 ± 0,24 log k = 0,9179e – 13,05 ± 0,32 25 log k = 2,3062e – 19,38 ± 0,13 F (673,08) 50 log k = 0,78631e – 12,53 ± 0,12 r(X, Y) = 0,91 2 100 log k = 0,41649e – 11,52 ± 0,09 r = 0,83 200 log k = 0,71013e – 12,45 ± 0,15 P3 12,5 log k = 1,7407e – 19,91 ± 0,15 log k = 0,86086e – 14,48 ± 0,27 25 log k = 1,4341e – 17,97 ± 0,12 F (718,03) 100 log k = 0,9826e – 14,83 ± 0,24 r(X, Y) = 0,94 r2 = 0,89 P4 12,5 log k = 2,2725e – 23,04 ± 0,53 log k = 0,68216e – 12,69 ± 0,44 25 log k = 0,55233e – 12,17 ± 0,27 F (432,19) 50 log k = 0,54678e – 12,15 ± 0,07 r(X, Y) = 0,87 2 100 log k = 0,75294e – 13,15 ± 0,22 r = 0,75 200 log k = 0,14824e – 10,42 ± 0,04 P5 25 log k = 0,71016e – 10,71 ± 0,07 log k = 0,20356e – 8,143 ± 0,08 50 log k = 0,27389e – 8,43 ± 0,06 F (828,52) 100 log k = 0,18765e – 8,11 ± 0,03 r(X, Y) = 0,94 2 200 log k = 0,26733e – 8,263 ± 0,02 r = 0,89 P6 12,5 log k = 0,67425e – 13,72 ± 0,16 log k = 0,95047e – 14,55 ± 0,44 25 log k = 1,2539e – 17,67 ± 0,14 F (1000,56) 100 log k = 1,6838e – 17,91 ± 0,48 r(X, Y) = 0,95 2 200 log k = 2,7542e – 20,33 ± 0,80 r = 0,90 P7 12,5 log k = 0,61913e – 13,83 ± 0,39 log k = 0,78634e – 15,19 ± 0,56 25 log k = 1,2210e – 17,88 ± 0,32 F (604,58) 100 log k = 2,6920e – 22,08 ± 0,60 r(X, Y) = 0,93 2 200 log k = 1,6654e – 17,36 ± 0,79 r = 0,86 P8 12,5 log k = 1,0858e – 17,54 ± 0,52 log k = 0,74099e – 14,94 ± 0,56 25 log k = 1,3985e – 19,28 ± 0,13 F (318,32) 100 log k = 2,7012e – 22,66 ± 0,75 r(X, Y) = 0,88 r2 = 0,78

P1 P2 -7,0

-7,0 -7,5 -7,5 -8,0 -8,0 -8,5 -8,5 -9,0 -9,0

logk -9,5 logk -9,5

-10,0 -10,0

-10,5 -10,5

-11,0 -11,0

-11,5 -11,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 4,6 4,8 5,0 5,2 5,4 e [-] 0,95 Prz.Ufn. e [-] 0,95 Prz.Ufn. 142 Marzena Jaromińska

P3 P4 -8,0 -6,5

-7,0 -8,5

-7,5 -9,0 -8,0

-9,5 -8,5 log k log log k -10,0 -9,0

-9,5 -10,5 -10,0

-11,0 -10,5

-11,5 -11,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 e [-] 0,95 Prz.Ufn. e [-] 0,95 Prz.Ufn.

P5 P6 -6,6 -7

-8 -6,8

-9 -7,0

-10

-7,2 log k logk -11

-7,4 -12

-7,6 -13

-7,8 -14 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 e [-] 0,95 Prz.Ufn. e [-] 0,95 Prz.Ufn.

P7 P8 -6 -6

-7 -7

-8 -8

-9 -9

-10 -10 log k log k log

-11 -11

-12 -12

-13 -13

-14 -14 2 4 6 8 10 12 14 3 4 5 6 7 8 9 10 11 e [-] 0,95 Prz.Ufn. e [-] 0,95 Prz.Ufn. Rys. 3. Wykresy rozrzutu e [-] vs. log k po oczyszczeniu danych

4. Wnioski

 Poszukiwanie charakteru zależności między współczynnikiem filtracji i zmniejsza- jącym się pod obciążeniem wskaźnikiem porowatości ma bardzo duże znaczenie w ocenie odkształceń konsolidacyjnych gruntu.  Badania statystyczne gruntów o zbliżonych cechach umożliwiają identyfikację charakteru powiązań pomiędzy e i log k oraz wskazują kierunek dalszych badań. Badania zmian współczynnika filtracji w zależności od ... 143

 Wyniki doświadczalne badań 8 prób gytii mineralno-organicznej, o zawartości części organicznych od 12% do 30%, potwierdzają tezę o liniowej zależności po- między współczynnikiem filtracji i wskaźnikiem porowatości, jednak dopiero po wykluczeniu „błędów” statystycznych.  Najsilniejsze korelacje stwierdzono dla dwóch pierwszych stopni obciążenia 12,5 kPa oraz 25 kPa. Występują tu korelacje wysokie, bardzo wysokie a nawet prawie pełne, dla których współczynniki determinacji r2 przekraczają 50%.  Modele regresji liniowej prostej budowane na podstawie statystycznie istotnych wyników badań pozwalają wyjaśnić ponad 75% wariancji zmiennej log k.  Analiza równań regresji liniowej, bez podziału na grupy, wykazuje, że zmiana war- tości wskaźnika porowatości e o 1 jednostkę powoduje zmianę wartości współ- czynnika filtracji k średnio o 0,7662.  Przewidywane wartości zmiennej log k różnią się od wartości empirycznych śred- nio o 0,44‰.  Statystyczną istotność modelu liniowego potwierdzają wysokie wartości statystyki F.  Badania mechanizmu powiązań pomiędzy współczynnikiem filtracji k i wskaźni- kiem porowatości e statystycznie wykluczonych wyników badań pozwolą na iden- tyfikację innych czynników wpływających na zmieniające się pod obciążeniem właściwości filtracyjne gruntu.

Literatura

1. Hartlén J., Wolski W. (red.). Embankments on Organic Soils. Elsevier Science, 1996. 2. Jaromińska M. Wskaźnik zmian przepuszczalności gruntów słabonośnych. Budownictwo i Architektura 14(2) (2015) 43-54. 3. Wolski W. Metody badań gruntów słabych. VII Krajowa Konferencja Mechaniki Gruntów i Fundamentowania, Poznań 1984. 4. Dobak P., Kowalczyk S. Geologiczno-inżynierska analiza występowania gruntów organicznych w podłożu wybranego odcinka autostrady A2. Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego 446 (2011) 257-264. 5. Samarasinghe A. M., Huang H., Yang F. ASCE &Drnevich V.P., M. ASCE. 1982. Permeabil- ity and consolidation of normally consolidated soils. Journal of the Geotechnical Engineering Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers, ASCE, vol. 108, No GT6 (1982) 835-850. 6. Clarke B. G., Chen C.C. Intrinsic properties of permeability. Proceedings of the 14th Interna- tional Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, 6-12 September, Hamburg, Germany, 1 (1987) 259-262. 7. Ahuja L.R., Cassel D.K., Bruce R.R., Barnes B.B. Evaluation of spatial distribution of hydraulic conductivity using effective porosity data. Soil Sci. 148 (1989) 404-411. 8. Ahuja L.R., Wendroth O., Nielsen D.R. Relationship between drainage of surface soil and average profile saturated conductivity. Soil Sci. Soc. Am. J. 57 (1993) 19-25. 9. Franzmeier D.P., Estimation of hydraulic conductivity from effective porosity data for some Indiana soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 55 (1991) 1801-1803. 10. Timlin D.J., Ahuja L.R., Pachepsky Ya., Williams R.D. Gimenez D., Rawls W. Use of Brooks- Corey parameters to improve estimates of saturated conductivity from effective porosity. Soil Sci. Soc. Am. J. 63 (1999) 1086-1092. 11. Piaskowski A. Instrukcja ITB nr 289, 1989. 12. Dobak P. Określenie przepuszczalności gruntów spoistych w badaniach konsolidacji z ciągłym przyrostem obciążenia. Przegląd Geologiczny 55(2) (2007) 126-132. 13. Wiłun Z. Zarys geotechniki. Wyd. Komunikacji i Łączności, Warszawa, 1987. 144 Marzena Jaromińska

14. Guilford J.P. Podstawowe metody statystyczne w psychologii i pedagogice. PWN, Warszawa, 1964. 15. Welfe A. Ekonometria. Metody i ich zastosowanie. PWE, 2009.

Investigation the changes of permeability coefficient depending on the void ratio in soft soil

Marzena Jaromińska

Chair of Geotechnics and Road Engineering, Faculty of Geodesy, Geospatial and Civil Engineering, University of Warmia and Mazury, ul. Heweliusza 4, 10-724 Olsztyn, Poland, e-mail:[email protected]

Abstract: This paper presents the results of analyses of the simple linear of regression permeability coefficient and void ratio in organic soils. Eight samples of gyttjas coming from the area of Olsztyn were analyzed. The research methodology was described and the e – log k relationship was tested under five loads variants. The linear regression models built on the basis of statistically significant results explained more than 75% variability log k, as it was found as a result of the performed analysis. The high values of F statistics affirm the significance of the linear model. The results indicate that oedometer test procedure does not include many factors contributing to soil permeability properties. The precise identification of the dependence of the filtration coefficient k on the void ratio e is critical in recognizing the mechanism of relationship between these characteristics. Keywords: permeability coefficient, organic soil, linear regression. Budownictwo i Architektura 15(3) (2016) 145-154

Ogrody wertykalne jako efektowny element zieleni w krajobrazie zurbanizowanym

Magdalena Patro, Agnieszka Koper

Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Inżynierii Kształtowania Środowiska i Geodezji, e-mail: [email protected], [email protected]

Streszczenie: Zieleń jest integralnym i nieodzownym komponentem przestrzeni zur- banizowanej. Zapotrzebowanie na nią jest tym większe im większy jest stopień zabudowy danego miejsca. W przypadku braku możliwości wykorzystania powierzchni biologicznie czynnych do wprowadzenia roślinności lub chęci zabudowy mało estetycznych pionowych elementów krajobrazu miejskiego można zastosować ogrody wertykalne, których pomysło- dawcą był Patrick Blanc w latach 80. XX wieku. Możliwość wprowadzania wielkopo- wierzchniowych ogrodów nie zajmując powierzchni poziomych nasuwa nieograniczone możliwości bliskiego kontaktu z naturą w centrach wielkich miast, miejscach gęsto zasie- dlonych, a nawet we wnętrzach budynków. Praca ukazuje konsekwencje rozwoju budownictwa i infrastruktury miejskiej kosztem terenów zieleni oraz wskazuje ogrody wertykalne jako alternatywę dla kurczących się powierzchni zielonych. Przedstawia charakterystykę ogrodów wertykalnych, ich wpływ na krajobraz miejski oraz rozwiązania techniczne tych założeń. Głównym celem pracy jest prezentacja koncepcji ogrodu wertykalnego w przestrzeni miejskiej Lublina, z zastosowaniem filcowego systemu kieszeniowego, dla potrzeb poprawy walorów estetycznych miejsca oraz samopoczucia mieszkańców. Słowa kluczowe: tereny zieleni, ogrody wertykalne, krajobraz zurbanizowany.

1. Wstęp

Wybuch demograficzny, który nastąpił po II wojnie światowej doprowadził do masowej urbanizacji przestrzeni. Krajobraz miejski charakteryzuje się dużą gęstością zabudowy, rozbudowaną infrastrukturą komunikacyjną oraz niskim poziomem estetycznym. Kontakt ze środowiskiem naturalnym w obecnych czasach jest dla człowieka szczególnie istotny. Mieszkańcy miast mogą odczuwać znaczny dyskomfort spowodowany brakiem obcowania z terenami otwartymi i zielenią. Tereny zielone spełniają wiele funkcji pozytywnie wpływających na otoczenie oraz zdrowie człowieka. Przyrodnicze funkcje szaty roślinnej to głównie poprawa jakości powietrza przez oczyszczanie go z zanieczyszczeń i pochłanianie dwutlenku węgla, ale także tłumienie hałasu i kształtowanie klimatu. Roślinność spełnia również funkcje estetyczne i poprawia percepcję krajobrazu miejskiego. Dobrze wykorzystana potrafi zama- skować nieatrakcyjne elementy, a także podkreślić piękno architektonicznych brył. Zieleń w miastach jest także ostoją dla świata zwierzęcego. Zrównoważony rozwój miast powinien przedstawiać rozwiązania mające na celu połączenie tkanki miejskiej z terenami biologicznie czynnymi. Dzięki temu poprawi się funkcjonowanie układu urbanistycznego, środowiska przyrodniczego, a także zapewni komfort życia [1-2]. 146 Magdalena Patro, Agnieszka Koper

Wprowadzenie zieleni do ośrodków silnie zurbanizowanych jest jednak wyzwaniem dla projektantów i planistów. Rozwój miast i intensywność zabudowy sprawia, że coraz trudniej jest zagospodarować przestrzeń tak, by włączyć w nią tereny pokryte szatą roślin- ną. Zadania takie wymagają specjalnych technologii oraz odpowiedniego doboru gatunkowego. Tylko prawidłowo zaplanowane koncepcje mogą pozwolić na bytowanie roślinności w zgodzie z użytkowaniem terenu [3]. Celem pracy jest przedstawienie możliwości zwiększania zieleni w gęstej zabudowie miasta przez zastosowanie ogrodów wertykalnych oraz zaprezentowanie takiego rozwiąza- nia w centrum Lublina i jego wpływ na walory estetyczne otoczenia i samopoczucie miesz- kańców.

2. Charakterystyka ogrodów wertykalnych 2.1. Historia ogrodów wertykalnych Wprowadzanie zieleni na budynki było znane już w starożytności. W Mezopotamii ponad 2500 lat temu wybudowano wiszące ogrody Babilonu, które znajdowały się na czterech tarasach podtrzymywanych na specjalnej konstrukcji złożonej z wąskich korytarzy. Wszyst- kie poziomy były wyposażone w sztuczne nawadnianie z izolacją bitumiczną oraz warstwą ziemi, gdzie sadzono krzewy i drzewa [4]. Kolejnymi naśladowcami byli Rzymianie, którzy uprawiali winorośl głównie przy kratach ogrodzenia lub bezpośrednio przy ścianach willi. Stosowano tam także pnące róże, będące symbolem tajnych ogrodów [5]. W dobie renesansu projektując ogrody wprowadzano formy żywych ścian w postaci żywopłotów. Wykorzystywano w nich gatunki takie jak cis, bukszpan, mirt. Barok zaś wyróżniał się okazałymi szpalerami z grabów i buków. Piętrzącą się roślinność wykorzystywano również jako element ozdobny przy pergolach i trejażach. Ideę pionowych ogro- dów można także zauważyć w architektonicznych formach strzyżonych drzew i krzewów rozpowszechnionych w tej epoce. Przy rezydencjach pałacowych drzewa i krzewy posadzone tuż przy budynku prowadzone były tak by ich pędy pięły się po elewacji [6]. Na początku XX wieku zielone elewacje z pnączy, szczególnie z winobluszczu trój- klapowego, stanowiły płynne przejścia pomiędzy ogrodem a domem. Dzięki swoim małym wymaganiom siedliskowym i odporności są idealnym rozwiązaniem dla małych przestrzeni [7, 8]. W 1995 r. w Japonii powstało założenie analogiczne do babilońskich ogrodów. Jego autorem jest Emilio Ambasz, który zaprojektował 15-kondygnacyjne Międzynarodowe Centrum Kultury i Informacji ACROS, zlokalizowane w mieście Fukuoka. Ściany pokryte zielenią tworzą spacerowe tarasy, które są naturalnym przedłużeniem parku. Ambasz zainteresował świat zieloną architekturą i niekonwencjonalnymi rozwiązaniami wprowadzania zieleni w obszarach silnie zurbanizowanych [9]. Prekursorem ogrodów wertykalnych jest Patrick Blanc, francuski naukowiec i bota- nik. Dzięki swoim licznym podróżom i zamiłowaniu do natury odkrył, iż na całym świecie istnieją gatunki roślin, które mogą wegetować w skrajnych warunkach. Patrick Blanc w 1988 r. opatentował rozwiązanie polegające na zaprojektowaniu roślin bez gleby w pozycji pionowej. Technologia oparta jest na filcowej tkance zastępującej glebę, która wchłania i retencjonuje wodę. Warstwa filcu przymocowana jest do płyty PCV specjalną siatką z elementami podtrzymującymi konstrukcję roślinną. Rośliny z czasem wrastają w warstwę filcu. Całość założenia wyposaża się w system nawadniający, z którego woda odprowadzana jest do kanalizacji lub do powtórnego wykorzystania [6]. W Polsce pierwszy ogród wertykalny powstał w Gdyni na Bulwarze Nadmorskim. W ramach budowy nowatorskiego obserwatorium panele ogrodzenia placu budowy zastąpio- Ogrody wertykalne jako efektowny element zieleni ... 147 no ścianami zieleni o łącznej powierzchni około 30 m2. Nawiązują one kształtem oraz wzo- rem do modernistycznych trendów łącząc historię z nowoczesnym rozwojem miasta [10]. W Lublinie takie rozwiązanie można podziwiać na ścianie budynku Rektoratu Uniwersytetu Przyrodniczego w Lublinie (Fot. 1). Do przygotowania ogrodu o powierzchni 20 m2 wykorzystano 22 gatunki roślin. Instalacja oprócz walorów estetycznych pełni funkcje naukowe, m.in. określanie wytrzymałości roślin na zewnętrzne warunki atmosferyczne [11].

Fot. 1. Ogród wertykalny na ścianie Uniwersytetu Przyrodniczego w Lublinie (fot. M. Patro)

2.2. Konstrukcja i systemy ogrodów wertykalnych Projektując ogród wertykalny należy uwzględnić kilka aspektów przyrodniczych i budowlanych. Do przyrodniczych należą: opady atmosferyczne, wiatr, pokrywa śnieżna oraz nasłonecznienie w okresie lata. Aspekt budowlany związany jest z analizą elewacji budynku, tj. wytrzymałością ścian na dodatkowe obciążenia oraz możliwości nośne całej ściany. W przypadku dużych założeń można stosować systemy zmniejszające ciężar całej konstrukcji przez wykonanie fundamentów [12]. Różnica w materiałach budowlanych, zmiany klimatu, zróżnicowane miejsca usytuowania wymusiły stworzenie różnych systemów, które umożliwiają zakładanie ogrodów w różnych miejscach, o różnej wysokości i kształcie. Istnieją trzy podstawowe systemy stosowane do zakładania zielonych ścian: system panelowy (modułowy), system filcowy (hydroponiczny) oraz system kontenerowy (Rys. 1). System panelowy (modułowy). Popularna forma zakładania pionowych ogrodów, oparta na systemie paneli wykonanych z tworzyw sztucznych, stali nierdzewnej, aluminium i materiałów pochodzących z recyklingu. Panele te są łatwe w montażu, mocowane z niezależnych od siebie części, co ułatwia ich demontaż w razie konieczności. Celem tych modułów jest podtrzymanie korzeni i dostarczenie im substancji odżywczych. Większość rozwiązań zastępuje glebę perlitem, keramzytem, watą mineralną, matą z włókien kokoso- wych, mchem torfowym itp. [12]. System kieszeni filcowych. Jest to najprostszy w montażu system, składa się z: ramy (stanowiącej konstrukcję), płyty PCV (stanowiącej izolację między budynkiem a mokrym 148 Magdalena Patro, Agnieszka Koper filcem) oraz mat wykonanych z włókien syntetycznych (przede wszystkim z filcu) (Fot. 2). Maty filcowe składają się z kieszeni, w których umieszczone są rośliny. Porowata struktura filcu pomaga roślinom w ukorzenianiu się, dostarczenia powietrza i wody [12].

Rys. 1. Systemy zakładania ogrodów wertykalnych [13]

Fot. 2. Rośliny posadzone w filcowym systemie kieszeniowym (fot. M. Patro)

System kontenerowy. System rzadko stosowany, polegający na stworzeniu przestrzennej konstrukcji kratownicowej podzielonej na wiele poziomów, na których ustawiane są pojemniki z roślinami. Pojemniki wypełnione są odpowiednim podłożem, posiadającym zdolność magazynowania wody i substancji odżywczych. Wspinaczkę roślin umożliwia system stalowych lin lub siatek, z których można tworzyć proste lub bardziej skompliko- wane formy. To rozwiązanie jest bardziej przestrzenne i zajmuje więcej miejsca niż systemy kieszeniowe i panelowe [12]. Ogrody wertykalne jako efektowny element zieleni ... 149

Tworząc koncepcję ogrodu wertykalnego należy zwrócić szczególną uwagę na dobór gatunkowy roślin. Przy doborze gatunkowym należy zwracać uwagę głównie na warunki klimatyczne. Zasadą w obsadzaniu ogrodu wertykalnego jest stosowanie większych gatun- ków roślin w wyższych partiach założenia, a mniejszych w niższych. W przypadku bezpo- średniego sąsiedztwa ciągu pieszego należy stosować mniej ekspansywne rośliny. Chcąc uniknąć dysharmonii zestawienia gatunków należy zwrócić uwagę na charakterystyczne cechy każdej rośliny: gęstość, fakturę i kolor ulistnienia, sposób układania się pędów, rozmiary roślin, pokrój i kształt liści oraz kolor kwiatów. Ważnym elementem doboru gatunkowego są podobne wymagania siedliskowe roślin oraz niezbyt silny wzrost [14]. Przy ogrodach wertykalnych są stosowane różne podłoża, w których sadzi się rośliny [12]:  substraty glebowe – ich struktura jest stabilna, przepuszczalna dla wody i powietrza;  podłoża organiczne i nieorganiczne – najczęściej stosowane są maty z włókien ko- kosowych, torfu oraz specjalne wełny mineralne i geowłókniny; posiadają dobre właściwości chłonne;  materiały hydroponiczne – perlit, keramzyt, łupiny kokosowe – mają na celu stworzenie roślinom warunków zbliżonych do naturalnych oraz zapewniają dostęp do wody i składników odżywczych; zaletą jest oszczędne gospodarowanie wodą przez zamknięty jej obieg. Nawadnianie ogrodów wertykalnych nie przysparza większych kłopotów. Zielone ściany najczęściej posiadają system samonawadniania, który dostarcza odpowiedniej ilości wody dla prawidłowego wzrostu roślin. Woda do nawadniania może być wzbogacona o składniki odżywcze, nawozy, minerały, aminokwasy, substancje usprawniające wzrost roślin [12]. 2.3. Wpływ ogrodów wertykalnych na krajobraz miejski Korzyści uzyskane przez zastosowanie ogrodów wertykalnych zależą od czynników konstrukcyjnych, zastosowanej roślinności (powierzchni i gęstości liści), warunków lokalnych i skali projektu. W krajobrazie zurbanizowanym wpływ ten może dotyczyć zarówno sfery publicznej jak i prywatnej. W przypadku korzyści publicznych dotyczą one [15-17]:  redukcji efektu miejskiej wyspy ciepła – poprawa naturalnych procesów chłodze- nia, redukcja temperatury otoczenia, ocienianie powierzchni;  poprawy jakości powietrza zewnętrznego – wychwytywanie zanieczyszczeń przez filtrowanie powietrza, osadzanie pyłów na powierzchni liści;  poprawa estetyki – kreowanie panoram i widoków miast, przesłonięcie brzydkich powierzchni, zwiększanie cen nieruchomości, dostarczanie interesujących wolno stojących struktur. Do korzyści w sferze prywatnej zaliczamy [15-17]:  poprawa efektywności energetycznej budynków – zatrzymywanie warstwy powietrza w masie roślinności, ograniczanie ucieczki ciepła przez grubą warstwę roślin- ności, tworzenie strefy buforowej przeciwko wiatrowi;  ochrona struktury budynku – ochrona zewnętrznego wykończenia przed promie- niowaniem UV, wahaniami temperatury, zwiększanie szczelności otworów w przegrodach;  poprawa jakości powietrza wewnętrznego – pochłanianie kurzu, pyłków i gazów szkodliwych;  redukcja hałasu przez pochłanianie i odbijanie fal dźwiękowych. 150 Magdalena Patro, Agnieszka Koper

3. Koncepcja ogrodu wertykalnego w przestrzeni miejskiej Lublina 3.1. Metodyka Koncepcję ogrodu wertykalnego wykonano dla ściany garażu w dzielnicy Wieniawa w Lublinie. W ramach prac przedprojektowych i projektowych wyróżniono:  zapoznanie z uwarunkowaniami przyrodniczymi dla miasta Lublina, głównie z temperaturami powietrza i opadami atmosferycznymi;  wykonanie niezbędnych pomiarów analizowanego obiektu;  wykonanie niezbędnych analiz terenu (dendrologiczna, funkcjonalno-przestrzenna oraz kompozycyjno-widokowa);  określenie wytycznych projektowych;  wybór systemu ogrodu wertykalnego;  dobór odpowiedniej roślinności. 3.2. Rozwiązania techniczno-przyrodnicze Koncepcja dotyczy tylnej ściany garażu, stanowiącej bezpośredni widok z okien nowo wybudowanego bloku przy ulicy Leszczyńskiego (Fot. 3). Koncepcja zakłada wprowadzenie ogrodu wertykalnego, który ma na celu przysłonięcie nieatrakcyjnej i monotonnej ściany garażu oraz zapewnienie miłego widoku z okien mieszkańcom nowego budynku mieszkalnego.

Fot. 3. Omawiana ściana garażu (fot. A. Koper)

Analiza obiektu. Teren opracowania leży w ścisłej zabudowie mieszkaniowej wielo- rodzinnej oraz sąsiaduje z zabudową biurową, oświatową i sądem. Obszary towarzyszące zabudowie to głównie parkingi i chodniki. Na analizowanym obszarze można wyróżnić wnętrze urbanistycznie podłużne, które wyznacza elewacja budynku mieszkalnego oraz ściana garażu. Lokatorzy parteru i pierwszego piętra mają bezpośredni widok na ścianę garażu, która znajduje się tak blisko budynku mieszkalnego (3,7 m), że domownicy nie mają możliwości obserwacji otoczenia za nim. Ogrody wertykalne jako efektowny element zieleni ... 151

U podnóża ściany garażu znajduje się skarpa zabezpieczona betonowym murkiem. Obsadzona jest głównie płożącą roślinnością iglastą (jałowiec płożący Juniperus horizonta- lis, jałowiec łuskowaty Juniperus squamata, cyprysik groszkowy Chamaecyparis pisifera) z czarną geowłókniną okrywającą glebę. Przejście między budynkiem mieszkalnym a murkiem oporowym, dostępne głównie dla mieszkańców mających bezpośrednie wyjście z mieszkań przez drzwi balkonowe, wykonane jest z kostki betonowej w kolorze szarym. Konstrukcja ogrodu wertykalnego. Ściana będąca podstawą projektową posiada wystawę zachodnią, gdzie ilość promieni słonecznych docierających do niej jest ograniczo- na przez budynek mieszkalny. Głównym punktem założenia jest zaprojektowanie ogrodu wertykalnego z elementami drewna, betonu i pnączami po obu stronach ogrodu, prowadzo- nymi po stalowych linach. Wkomponowane elementy paneli drewnianych mają być akcen- tem ocieplającym i przełamującym bladość ściany i otoczenia, zaś elementy betonowe – nawiązywać do materiału budulcowego murka oporowego u podnóża ściany (Rys. 2). Starając się odciążyć ścianę garażu całość ogrodu zbudowano z lekkich paneli z kie- szeniami filcowymi firmy Florafelt. Panele zostały zawieszone na metalowym stelażu wykonanym z rur kwadratowych o przekroju 40x40 mm, wspartym na fundamencie oraz przytwierdzonym do ściany garażu, co poprawia jego sztywność i nośność. Całość konstrukcji ma długość 10,5 m i wysokość 3 m. Tak zaprojektowany ogród wertykalny nie wpływa na trwałość i obciążenie ściany garażu. Nasadzenia roślinne. Zastosowana roślinność została dobrana przede wszystkim pod względem mrozoodporności, niewielkich rozmiarów (maksymalnie 30-40 cm wysokości), dekoracyjności (głównie z liści), niewielkiej ekspansywności oraz podobnych wymagań środowiskowych (Tab. 1, Rys. 2-4). Rośliny nie wymagają tradycyjnego podłoża lub innych substratów. Należy pozostawić roślinie podłoże, w którym została zakupiona, a bryłę korzeniową owinąć w filc wyposażony w podsypkę z perlitu. Całość związujemy gumką i umieszczany w kieszeni na właściwym miejscu. Różna kolorystyka liści, zróżni- cowany pokrój zastosowanych roślin oraz wkomponowanie ogrodu wertykalnego w gęsto zabudowany krajobraz miejski powoduje poprawę wrażeń wizualnych (Rys. 3-4). System nawadniania. Zaprojektowano linię nawadniającą poprowadzoną rurą pionowo w górę. Na szczycie znajduje się rura z otworami, przez które sączy się woda z rozpuszczo- nymi składnikami odżywczymi. Ciecz przesiąka grawitacyjnie w dół konstrukcji dostarczając wszystkim roślinom jednakową dawkę wody i składników odżywczych przez doskonałą zdolność filcu do pobierania wody. Nadmiar wody skrapla się do specjalnie wydrążonego rowka w gruncie skarpy (gł. 10 cm), wypełnionego żwirem o średnicy 16/32 mm. Rowek znajduje się dokładnie pod konstrukcją, przez co pozwala na przechwycenie wody spływają- cej z ogrodu wertykalnego oraz wsiąkanie jej do wnętrza skarpy dostarczając niewykorzysta- ną pożywkę z wodą roślinom, którymi obsadzona jest skarpa.

Rys. 2. Koncepcja ogrodu wertykalnego na ścianie garażu - numeracja roślin zgodna z Tab. 1 152 Magdalena Patro, Agnieszka Koper

Rys. 3. Widok ogrodu wertykalnego na ścianie garażu - wizualizacja

Tabela 1. Spis roślin do obsadzenia ogrodu wertykalnego Lp. Nazwa łacińska Nazwa polska BYLINY 1 Epimedium x rubrum Epimedium czerwone 2 Geranium macrorhizm Bodziszek korzeniasty 3 Glechoma hederacea Bluszczyk kurdybanek 4 Heuchera hybrida Żurawka ogrodowa 5 Pachysandra terminalis Runianka japońka KRZEWY 6 Cotoneaster dammeri ‘Major’ Irga Dammera ‘Major’ 7 Spiraea japonica ‘Golden Carpet’ Tawuła japońska ‘Golden Carpet’ TRAWY 8 Carex ornithopoda Turzyca ptasie łapki 9 Holcus mollis Kłosówka miękka PNĄCZA 10 Hedera helix Bluszcz pospolity

Rys. 4. Widok na ścianę garażu zabudowaną ogrodem wertykalnym – wizualizacja Ogrody wertykalne jako efektowny element zieleni ... 153

4. Podsumowanie

Obecnie istnieje wiele rozwiązań pozwalających na wprowadzenie zieleni do przestrzeni o zwartej zabudowie. Powierzchnie utwardzone mogą zostać wyposażone w pojemniki oraz donice z roślinnością. Takie metody są szczególnie wskazane w miejscach wystę- powania gęstej sieci podziemnej infrastruktury technicznej. Kolejną możliwością są pnącza, które mogą stanowić pionową formę zielonej dekoracji. Jednak to ogrody wertykalne, poprzez wielobarwne kompozycje roślin o rozmaitych fakturach, wywołują silne bodźce wizualne. Dzięki innowacyjnym technologiom pozwalają na coraz śmielsze realizacje będące dopełnieniem ścisłej zabudowy architektonicznej. Ogród wertykalny może być narzędziem, które pozwoli zamienić nagą ścianę w kwitnący ogród i tym samym stać się oazą bioróżnorodności. To również sposób na dostarczenie mieszkańcom miast dawki natury niezbędnej do zdrowego i komfortowego życia. Ogrody wertykalne są swego rodzaju dziełami sztuki, które mają swój pozytywny udział w kształtowaniu estetycznego wize- runku miasta. Przedstawiona w artykule koncepcja ogrodu wertykalnego na nieatrakcyjnej ścianie garażu w centrum miasta Lublina zapewni miły widok z okien mieszkańcom nowego budynku mieszkalnego. Przedstawiony projekt wykorzystuje system lekkich paneli kiesze- niowych, wypełnionych roślinami charakteryzującymi się mrozoodpornością, niedużym wzrostem, dekoracyjnymi liśćmi oraz różnorodnością kolorystyczną, która wprowadza dynamizm i zachęca do obserwacji. Ponadto zaproponowany ogród wertykalny stanowi nietuzinkowe rozwiązanie poprawy walorów monotonnego krajobrazu zurbanizowanego będąc jednocześnie naturalną formą wyrazu artystycznego.

Literatura

1. Haber Z. Kształtowanie terenów zieleni z elementami ekologii. Wyd. Akademii Rolniczej, Poznań, 2001. 2. Orzeszek-Gajewska B. Kształtowanie terenów zieleni w miastach. Wyd. PWN, Warszawa, 1984. 3. Chojnacka M., Wilkaniec A. Problemy projektowe związane z zielenią towarzyszącą współcze- snej zabudowie miejskiej. [w:] Techniki i technologie dla terenów zieleni (red. Drozdek M.). Oficyna Wyd. PWSZ, Sulechów, (2009) 45-55. 4. Kasińska L., Sieniawska-Kuras A. Architektura krajobrazu dla każdego. Wyd. KaBe, Krosno, 2009. 5. Majdecki L. Historia ogrodów. Tom 1. Od starożytności po barok. Wyd. PWN, Warszawa, 2009. 6. Kosiński W. Pionowe ogrody - Idea, Technologia i Estetyka na Nowy Wiek. Architektura. Czasopismo techniczne 2-A/2 (2011) 105-125. 7. Łączyńska M. Pnącza mogą wiele. Ogrody, ogródki, zieleńce 3 (2011) 18-20. 8. Trzaskowska E. Wykorzystanie roślin w projektowaniu architektonicznym (pnącza, ogrody wertykalne). Teka Kom. Arch. Urb. Stud. Krajobr. – OL PAN, (2010) 110-121. 9. Wines J. Zielona architektura. TASCHEN, Koln, Germany, 2008. 10. http://zielonesciany.pl/pl/infobox-gdynia, (08.07.2016) 11. http://www.up.lublin.pl/glowna/?form=default&rid=7062, (08.07.2016) 12. Tkaczyk T., Karczmarczyk I., Nowacki Ł., Haraszczuk K., Gawroński G., Marczewski S. Miasto zielone z natury. Agencja Create Event, 2014. 13. Ksit B., Majcherek M. Green Walls, czyli zielone ściany jako ekologiczne przegrody budowlane. Inżynier budownictwa 6(107) (2013) 120-122. 154 Magdalena Patro, Agnieszka Koper

14. Kania A., Mioduszewska M., Płonka P., Rabińska J.A., Skarżyński D., Walter E., Weber- Siwirska M. Zasady projektowania i wykonywania zielonych dachów i żyjących ścian. Poradnik dla gmin. Agencja Reklamowo-Wydawnicza „Ostoja”, Kraków, 2013. 15. Green Roofs for Healthy Cities: Introduction to Green Walls 2008 (www.greenroofs.org)., (15.05.2016) 16. Majerska-Pałubicka B. Powierzchnie biologicznie czynne jako element przegród budowlanych. Architektura. Czasopismo techniczne 2-A/2 (2011) 153-160. 17. Trzaskowska E., Adamiec P. Rola roślinności w kształtowaniu panoram i widoków miasta. Teka Kom. Arch. Urb. Stud. Krajobr. – OL PAN (2010) 122-132.

Vertical gardens as an eye-catching element of greenery in urban landscape

Magdalena Patro, Agnieszka Koper

University of Life Sciences in Lublin, Faculty of Production Engineering, Department of Environmental Engineering and Geodesy, e-mail: [email protected], [email protected]

Abstract: Greenery is an integral and an indispensable component of the urban space. The greater the degree of development of the site is, the greater the demand for greenery is. In the case of lack of using of biologically active surface to introduce vegetation or willing- ness to build-up (hide) little aesthetic vertical elements of the urban landscape, vertical gardens can be used. They were conceived by Patrick Blanc in the 80s of XX century. The possibility of the introduction of large gardens without taking horizontal surfaces suggests endless possibilities of close contact with nature in the centres of large cities, densely populated areas and even inside buildings. The paper shows the consequences of the development of housing and urban infrastructure at the expense of green areas and indicates vertical gardens as an alternative to shrinking green spaces. The characteristics of vertical gardens, their impact on the urban landscape and the technical solutions of these assumptions were shown. The main aim of this paper is to present the concept of a vertical garden in the city of Lublin, using a system with felt pockets, for the purpose of improving the aesthetic of the space and well-being of inhabitants. Keywords: green areas, vertical gardens, urban landscape.