Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie Strona 1 z 71 PROJEKTOWANIE POSADOWIEŃ BEZPOŚREDNICH Zasady projektowania fundamentów bezpośre...
51 downloads
23 Views
858KB Size
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
PROJEKTOWANIE POSADOWIEŃ BEZPOŚREDNICH Zasady projektowania fundamentów bezpośrednich wg PN-EN 1997-1 (EC-7) w odniesieniu do PN-B-03020:1981 Wymagania, porównanie
Strona 1 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
PN-B-03020:1981 Grunty budowlane. Posadowienie bezpośrednie budowli. Obliczenia statyczne i projektowanie. PN-EN 1997-1:2008 Eurokod 7. Projektowanie geotechniczne. Część 1: Zasady ogólne PN-EN 1997-1 stosuje się jako ogólną podstawę dotyczącą zagadnień geotechnicznych projektowania budynków i budowli inżynierskich. Stosuje się łącznie z PN-EN 1990, która określa zasady i wymagania bezpieczeństwa i użytkowalności, opisuje zasady projektowania i weryfikacji oraz podaje zalecenia dotyczące związanych zagadnień niezawodności konstrukcji. Zastępuje: PN-EN 1997-1:2005, PN-B-02014:1988, PN-B-02479:1998, PN-B-02482:1983, PN-B-03010:1983, PN-B-03020:1981, PN-B-03040:1980, PN-B-03322:1980 EC-7-1 zawiera zasady projektowania konstrukcji na szczególny rodzaj oddziaływań, jakim są oddziaływania geotechniczne.
Strona 2 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
PN-EN 1997-2:2009 Eurokod 7. Projektowanie geotechniczne. Część 2: Rozpoznanie i badanie podłoża gruntowego PN-EN 1997-2 jest przewidziana do stosowania wraz z EN 1997-1. Zawiera zasady uzupełniające PN-EN 1997-1, dotyczące: planowania i dokumentowania badań podłoża, wymaganej liczby stosowanych typowych badań laboratoryjnych i polowych, interpretacji i oceny wyników badań, wyprowadzania wartości parametrów geotechnicznych. Dodatkowo podano przykłady zastosowania wyników badań polowych do projektowania Zastępuje: PN-EN 1997-2:2007, PN-B-02479:1998, PN-B-04452:2002
Strona 3 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
WPROWADZENIE Norma PN-EN 1997-1 składa się z 12 rozdziałów i 9 załączników – A - J. Pierwszych 5 rozdziałów zawiera zasady ogólne projektowania geotechnicznego. Pozostałe rozdziały zawieją zasady rozwiązywania konkretnych zadań geotechnicznych. Załącznik A (normatywny) zawiera zalecane wartości częściowych współczynników bezpieczeństwa do stanów granicznych nośności. Pozostałe załączniki (informacyjne) zawierają głównie przykłady zalecanych metod obliczeń. Głównym rozdziałem dla projektowania fundamentów bezpośrednich jest rozdział 6.
Strona 4 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
CHARAKTERYSTYKA METOD PROJEKTOWANIA {Roz. 6}
Strona 5 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Zakres i zawartość Postanowienia EC-7 dotyczą posadowień bezpośrednich do których zalicza się posadowienie na stopach, ławach i płycie fundamentowej.
Rys. 1. Schematy posadowień konstrukcji, zaliczane w EC-7 do posadowień bezpośrednich a) na stopach, b) na ławach, c) na płycie, d) na płytkich studniach
EC-7 zezwala na stosowanie analogicznych zasad projektowania niezbyt głębokich studni i kesonów, w których wpływ tarcia na pobocznicy można pominąć. Strona 6 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Zakres i zawartość EC-7 jak i B-03020 do fundamentów bezpośrednich zalicza fundamenty przekazujące obciążenie z konstrukcji na podłoże wyłącznie przez podstawę. EC-7 wyodrębnia następujące zagadnienia: Stany graniczne {6.2}, Oddziaływanie i sytuacje obliczeniowe {6.3}, Zagadnienia projektowe i wykonawcze {6.4}, Sprawdzenie stanów granicznych nośności {6.5}, Sprawdzenie stanów granicznych użytkowalności {6.6}, Fundamenty na skale {6.7}, Projektowanie konstrukcji fundamentów {6.8}, Przygotowanie podłoża {6.9}.
Strona 7 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Zakres i zawartość Z projektowaniem posadowień bezpośrednich wiążą się załączniki: Normatywne: A- Współczynniki częściowe i korelacyjne do stanów granicznych nośności i zalecane ich wartości, Informacyjne: D - Przykład analitycznej metody obliczania nośności podłoża, E - Przykład pół empirycznej metody szacowania nośności podłoża, F - Przykładowe metody oceny osiadań, G- Przykład metody wyznaczania nośności fundamentów bezpośrednich na skałach, H - Wartości graniczne odkształceń konstrukcji i przemieszczeń fundamentów.
Strona 8 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Kategorie geotechniczne Zasady ogólne projektowania geotechnicznego podane w EC-7 wymagają rozróżnienia (w odróżnieniu od normy B-03020, która przewidują jedną metodę projektowania dla wszystkich obiektów): prostych przypadków, które można bezpiecznie rozwiązać w oparciu jakościowe badania gruntu i doświadczenie (kategoria geotechniczna 1), przypadki standardowe (kategoria geotechniczna 2), przypadki skomplikowane (kategoria geotechniczna 3). Zasady ogólne projektowania fundamentów bezpośrednich podane w EC-7 dotyczą obiektów kategorii 2 i 3. W odniesieniu do obiektów kategorii 1, dopuszcza się stosowanie uproszczonych procedur postępowania, które powinny określić poszczególne kraje.
Strona 9 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Kategorie geotechniczne EC-7 podaje zasady projektowania fundamentów bezpośrednich głównie dla obiektów posadowionych na tradycyjnych fundamentach w powszechnie występujących warunkach gruntowych. Skomplikowanych przypadków posadowień bezpośrednich jak i posadowień na szczególnych terenach (np. tereny górnicze) lub w szczególnych warunkach (np. grunty zapadowe) podane procedury postępowania nie obejmują. Do skomplikowanych przypadków posadowień bezpośrednich można zaliczyć (kat. geotechniczna 3): posadowienie na płycie w obrębie której występuje istotne zróżnicowanie sztywności podłoża, posadowienie w bezpośrednim sąsiedztwie obiektów wrażliwych na nierównomierne osiadania, posadowienie konstrukcji obiektu częściowo bezpośrednio a częściowo na palach, posadowienie „mieszane” na palach z uwzględnieniem pracy fundamentów bezpośrednich. Projektowanie posadowień zaliczonych do kategorii 3 wymaga spełnienia dodatkowych wymagań lub stosowania procedur obliczania, których EC-7 nie określa.
Strona 10 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Metody projektowania Fundament powinien być tak zaprojektowany, żeby w wyniku działających na konstrukcję oddziaływań, w zakładanym projektowym czasie jej użytkowania z odpowiednim stopniem niezawodności w podłożu i konstrukcji nie wystąpiły stany graniczne nośności lub użytkowalności. W odniesieniu do obiektów kategorii 2 i 3 przyjęte w rozdziale 6 zasady projektowania fundamentów bezpośrednich wynikają z ogólnych zasad projektowania konstrukcji zawartych w normie. W Eurokodach metodą zapewnienia konstrukcji odpowiedniej niezawodności jest metoda stanów granicznych z wykorzystaniem częściowych współczynników bezpieczeństwa. Metoda ta w odróżnieniu od wielu państw Unii jest stosowana Polsce od lat. Zasady wykonywania obliczeń wg tej metody są znane, należy jednak zauważyć, że w projektowaniu geotechnicznym wg EC-7 metoda ta stosowana jest w pewnej zmodyfikowanej formie.
Strona 11 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Metody projektowania 1. Metoda analityczna (metoda zalecana). Metoda polega na wykazaniu, że przy przyjętym rozwiązaniu fundamentów w każdej dającej się przewidzieć sytuacji obliczeniowej nie wystąpi stan graniczny. Przy analitycznym określaniu nośności Rd należy uwzględnić zarówno sytuacje krótkotrwałe jak i długotrwałe, zwłaszcza w gruntach drobnoziarnistych. Przy wyznaczaniu obliczeniowej nośności fundamentu posadowionego na podłożu zbudowanym z warstw, których właściwości znacznie różnią się między sobą, wartości obliczeniowe parametrów należy określić dla każdej warstwy. Jeżeli utwory nośne zalegają poniżej warstwy słabej, nośność można obliczyć z zastosowaniem parametrów wytrzymałościowych utworów słabych. W przeciwnym przypadku, gdy słaby grunt znajduje się pod mocnym, zaleca się sprawdzić możliwość zniszczenia przez przebicie mocnej warstwy. W pewnych sytuacjach obliczeniowych metody analityczne są nieprzydatne. Dlatego zaleca się stosować procedury numeryczne, w celu stwierdzenia jaki jest najbardziej niekorzystny mechanizm zniszczenia. EC-7 dopuszcza stosowanie innych wariantów metody analitycznej, polegających na określeniu reakcji podłoża (nośności, osiadań) w inny sposób. Strona 12 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Metody projektowania 2. Metoda półempiryczna (EC-7 zaleca stosowanie ogólnie uznanej metody półemiprycznej). Na podstawie badań polowych i odpowiedniej korelacji; zał. E – wyznaczanie nośności podłożą z wykorzystaniem wyników badań presjometrem. Ze stosowaniem tej metody będą problemy, bo zalecane w EC-7 korelacje będą wymagały kalibracji dla naszych warunków gruntowych jak i określenia zakresu stosowania tych korelacji. 3. Metoda wymagań przepisów wykorzystująca zalecane nośności podłoża Zalecana w EC-7 do projektowania posadowień na skałach. Metoda polega na sprawdzeniu, czy nacisk wywierany przez fundament na podłoże nie przekracza nacisku normatywnego (w załączniku G podano wartości nacisków normatywnych). 4. Metoda projektowania w oparciu o próbne obciążenia i badania modelowe Czekamy na załącznik krajowy.
Strona 13 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Stany graniczne w projektowaniu fundamentów bezpośrednich {6.2} W projektowaniu posadowień bezpośrednich EC-7 wymaga rozpatrzenia możliwość wystąpienia następujących stanów granicznych: 1. Stany graniczne nośności: a) utrata ogólnej stateczności podłoża pod obiektem, b) wyczerpanie nośności, zniszczenie na skutek przebicia lub wypierania, c) utrata stateczności na skutek przesunięcia (poślizgu), d) łączna utrata stateczności podłoża i zniszczenie konstrukcji, e) zniszczenie konstrukcji na skutek przemieszczenia fundamentu, 2. Stany graniczne użytkowalności f) nadmierne osiadania, g) nadmierne wypiętrzenie spowodowane pęcznieniem przemarzaniem lub innymi przyczynami (brak w B-03020), h) niedopuszczalne drgania (np. maszyny na fundamentach - turbogeneratory).
Strona 14 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Stany graniczne nośności Stany graniczne nośności EC-7 zalicza do grupy stanów granicznych GEO, obejmujących stany graniczne związane z utratą przez podłoże nośności lub wystąpienia znacznych przemieszczeń podłoża, powodujących odkształcenia konstrukcji zagrażające jej bezpieczeństwu. Stany graniczne nośności b) i c) mają istotny wpływ na głębokość posadowienia obiektu i decydują z reguły o rodzaju i wymiarach fundamentów. Z koniecznością zabezpieczenia podłoża przed możliwością wystąpienia tych stanów granicznych mamy do czynienia w każdym przypadku posadowienia obiektu. Konieczność rozpatrzenia w projektowaniu pozostałych stanów granicznych dotyczy przypadków szczególnych. Stan graniczny d), polegający na łącznym zniszczeniu konstrukcji i podłoża, nie znajduje w normie żadnego komentarza. W praktyce wystąpienie stanów granicznych podłoża a), b) lub c) jest równoznaczne z powstaniem w konstrukcji uszkodzeń o charakterze awaryjnym.
Strona 15 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Stany graniczne nośności Możliwość wystąpienia stanów granicznych nośności konstrukcji w wyniku nadmiernych przemieszczeń podłoża, wiąże się przede wszystkim z posadowieniem obiektu na szczególnych terenach np.. działalności górniczej lub w specyficznych warunkach gruntowych – grunty zapadowe, kras). W praktyce metody zabezpieczenia konstrukcji przed skutkami znacznych przemieszczeń podłoża polegają głównie na odpowiednim zaprojektowaniu konstrukcji (podział konstrukcji dylatacjami, odpowiednie usztywnienie układu). Na wymiarowanie fundamentów oddziaływania te mają mały wpływ. Przy projektowaniu posadowień bezpośrednich w szczególnych przypadkach, może zachodzić konieczność rozważenia innych stanów granicznych. Do tych stanów granicznych zalicza się: utrata stateczności konstrukcji (na wypór) spowodowanej ciśnieniem wody (stan graniczny UPL) – niezbędny przy posadowieniu konstrukcji poniżej poziomu zwierciadła wody gruntowej, wypiętrzenie hydrauliczne lub przebicie hydrauliczne spowodowane spadkiem hydraulicznym (stan graniczny HYD) – niezbędny w przypadku posadowienia budynku poniżej piezometrycznego poziomu wody gruntowej.
Strona 16 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Stany graniczne użytkowalności Podstawowe znaczenie przy projektowaniu fundamentów ma wielkość osiadań. W szeregu przypadkach, przy naciskach dopuszczalnych z uwagi na nośność podłoża, mogą występować nadmierne przemieszczenia lub odkształcenia konstrukcji z uwagi na warunki jej użytkowania. Sprawdzenie możliwości wystąpienia tego stanu granicznego niezbędne jest z reguły w każdym przypadku projektowania fundamentów bezpośrednich. Konieczność rozpatrzenia pozostałych stanów granicznych użytkowalności dotyczy przypadków szczególnych: działania na fundament istotnych obciążeń dynamicznych (np. fundamenty pod maszyny), nie jest możliwe posadowienie fundamentów poniżej głębokości przemarzania, zmian wilgotności gruntów pęczniejących.
Strona 17 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Oddziaływania i sytuacje obliczeniowe {6.3 ale również 2.4.2} W EC-7 zasady wykonywania obliczeń sprawdzających wymaga się rozróżnienia: oddziaływań „konstrukcyjnych” – podstawowe obciążenia uwzględniane w projektowaniu konstrukcji (ciężar własny, obciążenia użytkowe i technologiczne, śnieg, wiatr). oddziaływań geotechnicznych – zalicza się ogólnie oddziaływania przekazywane na konstrukcję przez grunt i wodę gruntową lub powierzchniową. Typowymi oddziaływaniami geotechnicznymi są: ciężar gruntu, skały i wody, parcie gruntu i parcie wody gruntowej, ciśnienie wody gruntowej, ciśnienie wody spływowej, parcie gruntu od obciążeń naziomu (obciążenie te przekazują się na konstrukcję przez grunt).
Strona 18 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Oddziaływania i sytuacje obliczeniowe W EC-7 przy sprawdzaniu stanów granicznych stosuje się obliczeniowe wartości obciążeń, które ustala się z zależności: dla obciążeń stałych
Gd = G k γ G
- dla obciążeń zmiennych
Qd = Qrep γ Q , Qrep = ψ ⋅ Qk
gdzie: Gh, Qk - symbol wartości charakterystycznej obciążeń stałych , zmiennych, Qrep - symbol reprezentacyjnej wartości obciążeń zmiennych, ψ - współczynnik dla wartości kombinacyjnej obciążenia zmiennego. Do sprawdzania stanów granicznych nośności są brane kombinacje obciążeń obliczeniowych, przy sprawdzaniu stanów granicznych użytkowalności – kombinacje obciążeń charakterystycznych.
Strona 19 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Oddziaływania i sytuacje obliczeniowe W EC-7, analogicznie jak w B-03020 stany graniczne należy odnosić do wybranych, dających się przewidzieć sytuacji obliczeniowych i rozróżnia się sytuacje obliczeniowe: trwałe – „normalne” warunki pracy fundamentów, zakładane dla fazy eksploatacji obiektu, przejściowe – warunki pracy fundamentów w fazie budowy oraz w razie potrzeby szczególne warunki pracy fundamentów, które mogą wystąpić np. przy generalnych remontach (przeciążenie fundamentu, odkopanie) lub próbach szczelności zbiorników, wyjątkowe – w EC-7 nie przewiduje się w zasadzie konieczności rozpatrywania sytuacji wyjątkowych. Natomiast w pewnych przypadkach rozważenie takich sytuacji jest uzasadnione: powódź, w przypadku obiektów posadowionych na terenach zalewowych, awarię drenażu usytuowanego pod fundamentami obiektu, awarię dużego wodociągu, przebiegającego w bliskim sąsiedztwie fundamentów
Strona 20 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
ZAGADNIENIA PROJEKTOWE
Strona 21 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Głębokość posadowienia Ustalanie głębokości posadowienia fundamentów wymaga uwzględnienia następujących czynników: osiągnięcie odpowiednio nośnego podłoża, głębokość, powyżej której pęcznienie i skurcz gruntów spoistych, wynikający z sezonowych zmian pogody oraz wpływu drzew i krzewów może spowodować znaczące przemieszczenia, głębokość, powyżej której mogą nastąpić uszkodzenia spowodowane przemarzaniem gruntu, poziom zwierciadła wody gruntowej w podłożu oraz trudności, jakie mogą się pojawić, jeśli wykop trzeba będzie wykonać poniżej zwierciadła wody, wpływ wykopu na sąsiednie fundamenty i konstrukcje oraz instalacje podziemne (B-03020 wskazywała tylko na konieczność uwzględnienia), wpływ przewidywanych wykopów na sieci podziemne, wysokie i niskie temperatury wywołane przez projektowany obiekt np. ciepłociąg posadowiony na iłach (brak w B-03020), możliwość podmycia, obecność w gruncie materiałów rozpuszczalnych (brak w B-03020).
Strona 22 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Głębokość posadowienia W EC-7 nie wymaga się minimalnego zagłębienia fundamentu w gruncie, równego 0,5 m. Jest jedynie ogólne wymaganie, zabezpieczenia podłoża pod fundamentem przed podmyciem. Jeżeli nie stosuje się innych zabezpieczeń przed rozmyciem podłoża (np. na skutek wód opadowych, czy awarii instalacji wodnej) wymagane w B-03020 zagłębienia fundamentu 0,5 m powinno być zachowane. EC-7 pozwala na elastyczniejsze podejście do zabezpieczenia konstrukcji przed skutkami przemarzania przy posadowieniu w gruntach wysadzinowych. Obok rozwiązania polegającego na posadowieniu poniżej głębokości przemarzania, dopuszcza się zabezpieczenie podłoża izolacją zapobiegającą przemarzaniu. Dopuszczone zostało również do stosowania w polskiej praktyce (aprobata ITB) tzw. rozwiązanie szwedzkie, polegające na umieszczeniu w płytko posadowionej płycie fundamentowej ogrzewania podłogowego, uniemożliwiającego przemarzanie gruntu występującego pod fundamentem. Głębokość przemarzania gruntu można ustalić zgodnie z B-03020 ponieważ EC-7 odsyła do ustaleń krajowych. Proponuje się nieznacznie zmodyfikować aktualną mapę stref przemarzania, dostosowując przebieg stref do stref występujących w państwach Unii. Strona 23 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Wymiary fundamentu Podstawowym wymaganiem jest takie dobranie wymiarów fundamentów, aby przekazane przez fundament siły nie spowodowały utraty nośności podłoża ani nadmiernych osiadań fundamentów. Dodatkowo wymaga się uwzględnienia wymagań wykonawczych, takich jak: koszt wykopu, tolerancje wytyczania, wymagana przestrzeń robocza, wymiary ścian i słupów opartych na fundamencie.
Strona 24 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Wymiary fundamentu EC-7 nie stawia ograniczeń co do rozmiarów mimośrodu, wymaga jedynie aby przy mimośrodach większych od 1/3 wymiaru fundamentu, przy ocenie nośności, szczególnie dokładnie analizować obliczeniowe wartości obciążeń oraz uwzględniać niekorzystne odchyłki w wymiarach fundamentu (zaleca się dodawać 0,10 m).
Rys. Wymagania dotyczące mimośrodu obciążeń w EC-7 Strona 25 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Wymiary fundamentu B-03020 wymagała, ograniczenia mimośrodu do wielkości 1/4 wymiaru fundamentu, a w pewnych przypadkach (przy smukłych budowlach, halach obciążonych suwnicami) do 1/6 wymiaru fundamentu.
Rys. Wymagania dotyczące mimośrodu obciążeń w B-03020 Strona 26 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Wymiary fundamentu Uwagi: Rozpatrywany w EC-7 przypadek dopuszczalnego mimośrodu dotyczy obciążenia fundamentu najmniej korzystnym układem obciążeń stałych i zmiennych (brak tej informacji w EC-7). Przy działaniu na fundament sił od obciążeń stałych należy dobrać wymiary fundamentu tak aby nie ulegał on odrywaniu od gruntu. W praktyce, do dopuszczenia większych mimośrodów niż 1/3 wymiaru fundamentów, należy podchodzić bardzo ostrożnie. Sposób sprawdzania wielkości mimośrodu sił przekazywanych przez fundament na podłoże nie jest w EC-7 określony – nie precyzuje się czy jest to problem nośności czy też warunków użytkowania. Wątpliwości budzi możliwość dopuszczenia odrywania fundamentu do połowy jego szerokości, w przypadku cyklicznego odrywania fundamentu od gruntu (np. fundamenty słupów hal obciążonych suwnicami), powinno się zachować pewną ostrożność. W przepisach angielskich zaleca się sprawdzanie mimośrodu pod działaniem sił obliczeniowych (jak w B-03020. W przepisach niemieckich zleca się sprawdzać mimośród pod działaniem sił charakterystycznych. Strona 27 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
SPRAWDZENIE STANÓW GRANICZNYCH NOŚNOŚCI
Strona 28 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Zakres obliczeń obejmuje: sprawdzenie stateczności ogólnej, sprawdzenie oporu granicznego podłoża pod fundamentami. Sprawdzenie stateczności ogólnej wymaga się w następujących przypadkach:
na naturalnym zboczu lub skarpie albo w ich pobliżu, w pobliżu wykopu lub ściany oporowej, w pobliżu rzeki, kanału, jeziora, zbiornika lub brzegu morza, w pobliżu wyrobisk górniczych lub konstrukcji podziemnych.
Dla powyższych przypadków wymaga się wykazania, że nie nastąpi utrata stateczności masywu podłoża obciążonego posadowionym obiektem. Przy sprawdzaniu oporu granicznego podłoża pod fundamentami wyróżnia się dwa stany graniczne: utratę nośności podłoża na skutek wyparcia gruntu spod fundamentu (sprawdza się zawsze), utratę nośności podłoża na skutek ścięcia gruntu w poziomie posadowienia fundamentu (sprawdzenie przeprowadza się w przypadkach fundamentów obciążonych siłami poziomymi).
Strona 29 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Zakres obliczeń obejmuje: Zakres obliczeń w EC-7 nie obejmuje sprawdzenia utraty przez projektowany obiekt równowagi (stan graniczny typu EQU), a jego pominięcie w projektowaniu fundamentów bezpośrednich nie jest w normie ani w komentarzu do normy wyjaśnione. Zgodnie z B-03020 sprawdzanie tego stanu granicznego jest wymagane w przypadku obiektów smukłych, posadowionych na wspólnym fundamencie i poddanych znacznym obciążeniom poziomym (kominy, wysokie zbiorniki, tablice reklamowe) oraz w przypadku ścian oporowych. Z doświadczeń wynika, że przy dopełnieniu wymagań dotyczących wielkości mimośrodu sił przekazywanych przez fundament na podłoże, wystąpienie stanu granicznego utraty równowagi przy zalecanych w EC-7 współczynnikach bezpieczeństwa można praktycznie wykluczyć. Zakres wymaganych w EC-7 obliczeń sprawdzających przy projektowaniu fundamentów bezpośrednich ogranicza się do dwóch podstawowych decydujących o poziomie posadowienia, rodzaju fundamentów oraz ich wymiarach. Problem utraty stateczności ogólnej jest zagadnieniem odrębnym. Na utratę stateczności podłoża ma wpływ przede wszystkim całkowita wielkość przekazywanych na podłoże obciążeń, w pewnym stopniu poziom posadowienia, natomiast rodzaj i wymiary poszczególnych fundamentów mają wpływ drugorzędny. Strona 30 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Ogólne zasady sprawdzania nośności podłoża Stan graniczny nośności podłoża nie wystąpi jeżeli spełniony będzie warunek Ed ≤ Rd gdzie: Ed - wartość obliczeniowa efektu oddziaływań (siła przekazywana na podłoże), Rd - wartość obliczeniowego oporu granicznego podłoża. EC-7 przewiduje możliwość stosowania jednego z trzech tzw. podejść obliczeniowych (1, 2, 3) w celu zapewnienia właściwego bezpieczeństwa przy sprawdzaniu warunku. Różnice dotyczą wartości częściowych współczynników bezpieczeństwa, stosowanych w ocenie obliczeniowego efektu oddziaływań Vd i oporu granicznego podłoża Rd W Polsce stosuje się podejście 2*, a w przypadku sprawdzania stateczności ogólnej – podejście 3.
Strona 31 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Ogólne zasady sprawdzania nośności podłoża W podejściu 2* ogólny zapis warunku Ed < Rd przyjmuje postać: E d = E (γ F ⋅ Frep ; γ F ⋅ Fg ( X k )) ≤ R (Fk ; X k ) / γ R = R d
gdzie: Xk - symbol wartości charakterystycznej właściwości gruntu, Fg - symbol oddziaływań geotechnicznych, Fk - obciążenia wynikające z zależności oporu granicznego podłoża od sił przekazywanych przez fundament na grunt, γF - częściowy współczynnik bezpieczeństwa dla oddziaływań, γR - współczynnik bezpieczeństwa do oporu gruntu.
Strona 32 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Ogólne zasady sprawdzania nośności podłoża Podejście to ma dwie istotne zalety: umożliwia przejrzystą ocenę poziomu niezawodności rozwiązania, przy ocenie oporu granicznego podłoża, który zależy od sił przekazywanych na grunt, nie wymaga rozpatrywania charakteru działania tych sił (korzystne, niekorzystne), co upraszcza obliczenia. Przy podejściu 2* orientacyjny poziom niezawodności projektowania fundamentów z uwagi na opór graniczny podłoża, przy zalecanych wartościach częściowych współczynników bezpieczeństwa, można łatwo ocenić na podstawie wartości globalnego współczynnika bezpieczeństwa. Uwagi: zasady ustalania wartości obliczeniowej efektu oddziaływań w EC-7 nie różnią się od stosowanych w normie B-03020, siły przekazywane przez fundament na podłoże wyznacza się od wartości obliczeniowych obciążeń konstrukcyjnych i geotechnicznych, wartości obliczeniowe obciążeń geotechnicznych wyznacza się przy charakterystycznych wartościach parametrów gruntu i mnoży się przez odpowiedni współczynnik obciążeń, sposób wyznaczania oporu granicznego w EC-7 odbiega od zasad przyjętych w B-03020: opór graniczny podłoża wyznacza się przy charakterystycznych wartościach parametrów gruntu (Xk) i charakterystycznych wartościach obciążeń i wynik dzieli się przez ogólny współczynnik oporu γR. Strona 33 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Tabela NA.2. (PN-EN 1997-1:2008/Ap2) Współczynniki częściowe przy sprawdzaniu stanów granicznych nośności (GEO) Stany graniczne nośności – podejście 2 A1 Do oddziaływań
Stałe Zmienne
Do właściwości gruntu
Do odporu gruntu
Niekorzystne
1,35
Korzystne
1,0
Niekorzystne
1,5
M1
tan φ
1,0
Efektywna spójność
1,0
Wytrzymałości bez odpływu
1,0
Wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie
1,0
Ciężar objętościowy
1,0
R2
Wyparcie
1,4
Poślizg
1,1
Strona 34 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Siły i obciążenia działające na fundament Przy ustalaniu sił przekazywanych przez fundament na podłoże uwzględnia się siły od obciążeń działających na konstrukcję oraz obciążenia geotechniczne działające na fundament. Wśród obciążeń geotechnicznych wymaga się uwzględnienia: ciężaru gruntu na fundamencie, parcia gruntu, ciśnienia hydrostatyczne wody gruntowej, które nie jest spowodowane naciskiem fundamentu na grunt.
Fv, FH, M - siły od obciążeń działających na konstrukcję, W1, W2 - obciążenia od ciężaru gruntu na fundamencie, Av, AH, P - parcie gruntu
Rys. Układ sił i obciążeń uwzględnianych w obliczeniach sprawdzających fundamentów bezpośrednich
Strona 35 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Siły i obciążenia działające na fundament Miarodajnymi do wykonania obliczeń są wartości obliczeniowe obciążeń. Wartość charakterystyczną obciążenia od ciężaru gruntu należy określić mnożąc wartość charakterystyczną ciężaru objętościowego gruntu przez objętość gruntu nad fundamentem. EC-7 nie zawiera normatywnych charakterystycznych wartości ciężaru objętościowego gruntu – potrzebne do obliczeń wartości powinny być ustalane na podstawie badań. Praktycznie, ustalanie wartości ciężarów objętościowych gruntu na podstawie badań jest zbędne, bo dla większości gruntów są one znane z dostateczną dokładnością. Można tu korzystać z wartości podanych w B-03020. Przy ustalaniu obciążeń od ciężaru gruntu zaleca się w EC-7 uwzględniać warunki pracy gruntu: „z odpływem” – (grunty niespoiste) uwzględnia się efektywne ciężary objętościowe gruntu i w razie potrzeby hydrostatyczne ciśnienie wody, „bez odpływu” – (grunty niespoiste) uwzględnia się całkowite ciężary objętościowe gruntu, ciśnienie wody się pomija.
Strona 36 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Model obliczeniowy pracy podłoża
Rys. 4. Oddziaływania na fundament od parcia wody a) w warunkach „z odpływem”, b) w warunkach „bez odpływu” W’, W - efektywny i całkowity ciężar gruntu na fundamencie U1, U2 - ciśnienie wody Q’, q - efektywne i całkowite naprężenia w poziomie posadowienia
Strona 37 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Model obliczeniowy pracy podłoża Wykonanie obliczeń wymaga ustalenia modelu obliczeniowego podłoża – idealizacja podłoża występującego pod fundamentem (ustroju konstrukcyjnego) – stosowanego w celu analizy, wymiarowania i weryfikacji. W obliczeniach sprawdzających opór graniczny podłoża model obliczeniowy opisuje: wymiary fundamentu i wielkość przekazywanych przez niego sił na grunt, układ i rodzaj gruntów występujących pod rozpatrywanym fundamentem (położenie stropu poszczególnych warstw), poziom wody gruntowej, parametry wytrzymałościowe gruntów niezbędnych do obliczeń. Wszystkie niezbędne dane opisujące podłoże, powinny być określone w projekcie geotechnicznym.
Strona 38 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Model obliczeniowy pracy podłoża Zgodnie z przyjętym podejściem obliczeniowym, parametry geometryczne modelu (położenie stropów gruntu, poziom wody gruntowej) powinny charakteryzować wartości obliczeniowe. Natomiast parametry wytrzymałościowe wartości charakterystyczne. Zgodnie z zasadami ogólnymi obliczeniowe położenie stropu gruntu, jak i wymiary fundamentu, jako parametry geometryczne, których odchylenie uwzględniane jest w wartościach częściowych współczynników bezpieczeństwa, należy przyjmować na poziomie wynikającym z badań lub w przypadku wymiarów fundamentu jako nominalne. Poziom wody gruntowej, miarodajny do obliczeń sprawdzających, powinien odpowiadać poziomowi maksymalnemu.
Strona 39 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Model obliczeniowy pracy podłoża Dobór parametrów wytrzymałościowych gruntu, miarodajnych do obliczeń uzależnia się w EC-7 od warunków pracy podłoża (z zależności parametrów wytrzymałościowych gruntu od ciśnienia porowego). Rozróżnia się dwa typy warunków: „z odpływem” – zakłada się, że naprężenia w podłożu od konstrukcji nie powodują istotnego wzrostu ciśnienia porowego. Z warunkami takimi mamy do czynienia przy dostatecznie powolnym wzroście naprężeń. Jako miarodajne do oceny oporu granicznego podłoża w EC-7 zaleca się przyjmować efektywne parametry wytrzymałościowe gruntu: φ', c'. „bez odpływu” - przyjmuje się, że przyrost naprężeń w gruncie od konstrukcji jest na tyle szybki, że powoduje wzrost ciśnienia wody występującej w porach gruntu, a w konsekwencji redukcję wytrzymałości gruntu. W warunkach „bez odpływu” opór graniczny podłoża zaleca się obliczać przy zastosowaniu tzw. wytrzymałości na ścinanie „bez odpływu” - cu.
Strona 40 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Model obliczeniowy pracy podłoża
Rys. 5. Model pracy podłoża przy sprawdzaniu oporu granicznego podłoża wg EC-7 a) w warunkach „z odpływem”, b) w warunkach „bez odpływu”
Strona 41 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Model obliczeniowy pracy podłoża Wytrzymałość na ścinanie bez odpływu cu nie była stosowana przy projektowaniu fundamentów bezpośrednich, wykorzystywano ją przy projektowaniu pali (stosowano oznaczenie su). Wartość wytrzymałości cu może być określana różnymi metodami: w aparacie trójosiowego ściskania, sondą krzyżakową, w oparciu o wyniki badań sondą CPTU , literaturowe. Wartości cu w zależności od stanu i rodzaju gruntów są bardzo zróżnicowane. Dla słabych iłów w stanie plastycznym wynoszą 30÷40 kPa, dla glin i iłów w stanie półzwartym – 200÷300 kPa.
Strona 42 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
EC-7 nie precyzuje w jakich przypadkach za miarodajne należy uznać warunki „z odpływem”, a w jakich warunki „bez odpływu”. Na podstawie doświadczeń można stwierdzić, że problem wyboru dotyczy jedynie przypadków sytuacji przejściowych przy występowaniu pod fundamentem gruntów spoistych. W przypadku sytuacji obliczeniowej trwałej i sytuacji obliczeniowej przejściowej przy występowaniu pod fundamentem gruntów niespoistych, niewątpliwie za miarodajne do obliczeń można uznać warunki „z odpływem”. W innych przypadkach, występowania pod fundamentem gruntów spoistych i rozpatrywaniu sytuacji przejściowych, jeżeli są wątpliwości co do warunków pracy podłoża, należy wykonywać obliczenia przy założeniu warunków „z odpływem” jak i „bez odpływu”. Zgodnie z przyjętym podejściem jako miarodajne do obliczeń sprawdzających przyjmuje się charakterystyczne wartości parametrów wytrzymałościowych.
Strona 43 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie oporu granicznego podłoża na wyparcie gruntu spod fundamentu Zaleca się stosowanie metod analitycznych – przykład w załączniku D. Jako miarodajną do sprawdzenia oporu granicznego podłoża przyjmuje się wartość obliczeniową siły, przekazywanej przez fundament na podłoże, prostopadłej do podstawy fundamentu Vd. W przypadku typowych fundamentów jest to siła pionowa. Warunek obliczeniowy: Vd < Rd
Wartość obliczeniową oporu granicznego podłoża Rd, dla podejścia 2*, wyznacza się z zależności: Rd =
Rk
γR
R R k = k ⋅ A' A'
gdzie: Rk – wartość charakterystyczna oporu granicznego, γR – współczynnik bezpieczeństwa do oporu granicznego z tabeli (γR = 1,4), (Rk/A’) – wartość charakterystyczna jednostkowego oporu granicznego podłoża, A' – pole efektywnej powierzchni fundamentu Strona 44 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie oporu granicznego podłoża na wyparcie gruntu spod fundamentu
Rys. 6. Zasady ustalania efektywnej powierzchni fundamentu Strona 45 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie oporu granicznego podłoża na wyparcie gruntu spod fundamentu A.
Jednostkowy opór graniczny w warunkach „z odpływem”
(Rk
A') = c k ' N c sc i c + q' N q sq i q + 0,5γ ' B' N y s y i y
gdzie: q - obliczeniowy całkowity nacisk nadkładu w poziomie posadowienia fundamentu Wartości obliczeniowe współczynników ustala się przy charakterystycznych wartościach parametrów wytrzymałościowych - φ’k, c’k. Struktura wzoru na jednostkowy opór graniczny w warunkach „z odpływem” w EC-7 jest analogiczna jak w B-03020. Różnice przy liczeniu wynikają z różnic w sposobie przyjęcia niektórych współczynników. Dalsze różnice, mogą wynikać z rodzaju stosowanych do obliczeń parametrów (φu, cu - φ’, c'). Dotychczas parametry normatywne, podane w B-03020, sprawdzone 30 letnią praktyką, mogą być również stosowane do obliczeń wg EC-7.
Strona 46 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie oporu granicznego podłoża na wyparcie gruntu spod fundamentu PN-B-03020:1981
EC-7 Współczynniki nośności
Porównanie
π φ N D = e πtgφu tg 2 + u 4 2
π φ' Nq = e πtgφ ' tg 2 + 4 2
=
NC = (ND − 1)ctgφu
NC = (ND − 1) cot φ '
≠
NB = 0,75(ND − 1)tgφu
Nγ = 2(Nq − 1)tgφ '
≠
Strona 47 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie oporu granicznego podłoża na wyparcie gruntu spod fundamentu PN-B-03020:1981
–
EC-7 Współczynniki nachylenia podstawy fundamentu bc = bq − [(1 − bq ) / (NC ⋅ tan φ ')] bq = bγ = (1 − α ⋅ tanφ ')
2
Porównanie
≠
Strona 48 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie oporu granicznego podłoża na wyparcie gruntu spod fundamentu PN-B-03020:1981
EC-7
Porównanie
Współczynniki kształtu fundamentu B' sin φ ' – dla prostokąta; L' sq = 1 + sinφ ' – dla kwadratu lub koła;
sq = 1 +
sD = 1+ 1,5
B L
sC = 1+ 0,3
B L
sB = 1− 0,25
B L
sC =
sq Nq − 1 – dla prostokąta, Nq − 1 kwadratu lub koła
sγ = 1 − 0,3
B' L' – dla prostokąta;
sγ = 0,7 – dla kwadratu lub koła;
≠
≠
≠
Strona 49 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie oporu granicznego podłoża na wyparcie gruntu spod fundamentu PN-B-03020:1981 EC-7 Porównanie Współczynniki nachylenia obciążenia, spowodowanego obciążeniem poziomym H m Brak wzorów – nomogramy ≠ i q = [1 − (H k (Vk + A' c ' cot φ ' ))] i C = i q − [(1 − i q ) NC tgφ ']
i γ = [1 − (H k (Vk + A' c ' cot φ '))]
m +1
gdy H działa w kierunku B’
m = mb = [2 + (B' L')] /[1 + (B' L')]
gdy H działa w kierunku L’
m = mL = [2 + (L' B')] /[1 + (L' B')]
gdy H działa w kierunku tworzącym kąt θ z kierunkiem L’ m = mL cos 2 θ + mB sin2 θ
Strona 50 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie oporu granicznego podłoża na wyparcie gruntu spod fundamentu B.
Jednostkowy opór graniczny w warunkach „bez odpływu” Rk A' = (π + 2) ⋅ cu ⋅ bc ⋅ sc ⋅ i c + q
gdzie: q – obliczeniowy całkowity nacisk nadkładu w poziomie posadowienia fundamentu bc – współczynnik nachylenia podstawy fundamentu: bc = 1 −
2α (π + 2)
sc – współczynnik kształtu fundamentu: s c = 1 + 0,2(B' L') – dla prostokąta; sc = 1,2 – dla kwadratu lub koła; ic – współczynnik nachylenia obciążenia, spowodowanego obciążeniem poziomym H: ic =
H 1 ⋅ 1 + 1 − k 2 A'⋅cu
z zastrzeżeniem, że H ≤ A' c k u,k
Strona 51 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie oporu granicznego podłoża na wyparcie gruntu spod fundamentu Podany w załączniku D sposób obliczeń dotyczy podłoża jednorodnego lub podłoża w którym niżej występujące grunty charakteryzują się parametrami wytrzymałościowymi lepszymi niż grunt w poziomie posadowienia. Jeżeli głębiej występują grunty słabsze, obliczenia można wykonać stosując zalecaną w B-03020 metodą, tzw. fundamentu zastępczego.
Strona 52 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie nośności na przesunięcie (poślizg) w poziomie posadowienia {6.5.3} Gdy obciążenie nie jest prostopadłe do podstawy fundamentu, należy sprawdzić nośność fundamentu na przesunięcie (poślizg) wzdłuż podstawy Warunek obliczeniowy: Hd ≤ Rd + R p;d
Hd – obliczeniowa wartość siły stycznej do podstawy fundamentu, przekazywanej przez fundament na grunt, Rp;d – obliczeniowa wartość oporu gruntu na przesunięcie. Rys. 7. Oznaczenia sił i obciążeń w warunku
Strona 53 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie nośności na przesunięcie (poślizg) w poziomie posadowienia {6.5.3} W sile Hd należy uwzględnić wartości obliczeniowe wszystkich aktywnych sil wywieranych przez grunt na fundament. Wartości Rd i Rp;d zaleca się dostosować do wielkości przewidywanego przemieszczenia w stanie granicznym od rozpatrywanego obciążenia (decydują o mobilizacji parcia biernego na fundament) – sposobu oceny tych przemieszczeń norma nie podaje. Dla fundamentów na gruntach spoistych w obrębie strefy sezonowych zmian objętościowych należy uwzględnić możliwość odspajania gruntu od pionowych powierzchni fundamentów na skutek skurczu. Należy uwzględnić możliwego usunięcia gruntu sprzed czoła fundamentu na skutek erozji (rozmycia) lub działalności człowieka. W praktyce wpływ oporu gruntu jest najczęściej pomijany lub uwzględniany przy bezpiecznym oszacowaniu Rp;d. W przypadku najczęściej stosowanych fundamentów, o grubości do 0,4 m, odpory gruntu są pomijane – są małe. W przypadku masywnych fundamentów opór gruntu uwzględnia się, jednakże na poziomie najczęściej parcia czynnego, co nie wymaga oceny przemieszczeń fundamentu i jest bezpieczne. Strona 54 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie nośności na przesunięcie (poślizg) w poziomie posadowienia {6.5.3} A. Opór graniczny na ścięcie w podstawie fundamentu w warunkach „z odpływem Warunek obliczeniowy: Rd = (Vd '⋅tgδ k ) γ R;h (zalecane γR;h=1,1)
gdzie:
δk – obliczeniowy kat tarcia na styku fundamentu i gruntu, zalecane jego wartości wynoszą: δ k = φ 'cv ;d – dla betonowych fundamentów formowanych w gruncie, δ k = 2 3 ⋅ φ 'cv ;d – dla gładkich fundamentów prefabrykowanych.
φcv;d – efektywny kąt tarcia wewnętrznego w stanie krytycznym. Efektywną spójność gruntu c’ zaleca się pomijać.
Strona 55 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie nośności na przesunięcie (poślizg) w poziomie posadowienia {6.5.3} B. Opór graniczny na ścinanie w warunkach „bez odpływu” Warunek obliczeniowy:
Rd = (Ac ⋅ cu;k ) γ R; h (zalecane γR;h=1,1)
gdzie: Ac - pole powierzchni podstawy fundamentu przekazującej naciski na grunt
Jeżeli istnieje możliwość dostania się między fundament a grunt wody lub powietrza (praktycznie zawsze), dodatkowo wymaga się aby: Rd ≤ 0,4 ⋅Vd
Powyższy wymóg można pominąć wtedy, jeśli tworzeniu się szczeliny między fundamentem a gruntem zapobiega ssanie w strefach, w których nie ma dodatniego nacisku fundamentu na podłoże.
Strona 56 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
SPRAWDZANIE STANÓW GRANICZNYCH UŻYTKOWALNOŚCI
Strona 57 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Podstawowe wymagania Rozpatrzenie stanów granicznych użytkowalności przy projektowaniu fundamentów bezpośrednich jest w EC-7 wymagane i obejmuje: nadmierne osiadania; Wystąpienie nadmiernych osiadań, EC-7 wiąże z wystąpieniem osiadań i różnic osiadań fundamentów, które powodują niedopuszczalne z uwagi na warunki użytkowania, przemieszczenia lub odkształcenia konstrukcji obiektu.
nadmierne wypiętrzenie; Wystąpienie stanu granicznego wypiętrzeń wiąże norma z możliwością powstania nadmiernych uniesień fundamentu na skutek: odciążenia, zmniejszenia naprężeń efektywnych w gruncie, rozszerzalności objętościowej częściowo nasyconych gruntów (pęcznienia minerałów ilastych), uniesienia przy stałej objętości w całkowicie nasyconym gruncie, którego przyczyną jest osiadanie sąsiedniej konstrukcji.
niedopuszczalne drgania; Stan graniczny drgań wiąże norma z: przeniesienia na podłoże drgań powodujących: nadmierne osiadania na skutek zagęszczenia gruntów lub upłynnienia gruntów, lub drgań fundamentu nie dopuszczalnych z uwagi na warunki użytkowania obiektu. Strona 58 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie stanów granicznych użytkowalności wymaga się przeprowadzać wykazując, że spełniony jest warunek: E d < Cd
w którym: Ed - efekt oddziaływań, w tym przypadku przemieszczeń lub różnica przemieszczeń fundamentu lub np. amplituda przyspieszeń, Cd - wartość graniczna efektu oddziaływań, przy której w konstrukcji może wystąpić stan graniczny użytkowalności. Zgodnie z zasadami ogólnymi obliczeniową wartość efektów oddziaływań określa się przy założeniu charakterystycznych wartości oddziaływań i właściwości gruntu (γF, γM = 1,0). Zaleca się aby wartości graniczne przemieszczeń i drgań były określone w projekcie fundamentów i uzgodnione z inwestorem. Podane szczegółowe zalecenia dotyczące sposobu sprawdzania wyodrębnionych stanów granicznych, dotyczą tylko sprawdzania stanu granicznego osiadań. Sposób sprawdzania stanów granicznych związanych z wyniesieniem fundamentów czy też drganiami nie jest w normie określony.
Strona 59 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie stanu granicznego osiadań Wykonanie obliczeń sprawdzających zaleca się: w przypadku obiektów kategorii geotechnicznej 2 i 3, przy posadowieniach na gruntach spoistych w stanie plastycznym do twardoplastycznego, EC-7 zwiększa zakres przypadków w których zalecane jest sprawdzenie stanu granicznego osiadań, w stosunku do B-03020. Według B-03020 przy posadowieniach na gruntach spoistych w stanie twardoplastycznym sprawdzanie osiadań w przypadku większości obiektów budowlanych uznaje się za zbędny. Praktyka wskazuje, że przy stosowanych w naszej praktyce naciskach na grunt, nie przekraczających z reguły dla glin w stanie twardoplastycznym 250 kPa, pomijanie tych obliczeń sprawdzających jest uzasadnione.
w przypadku gruntów spoistych zaleca się sprawdzać stosunek oporu granicznego podłoża przy jego początkowej wytrzymałości bez odpływu (cu) do sił od obciążeń użytkowych, przekazywanych przez fundament na podłoże. Jeżeli stosunek ten jest mniejszy od 3, zaleca się wykonać sprawdzenie osiadań fundamentów. W pewnych przypadkach nawet przy posadowieniach na dobrych gruntach sprawdzanie stanu granicznego osiadań może być uzasadnione. W przypadku posadowienia na podłożu dobrym, umożliwiających przeniesienie nacisków większych od 350÷400 kPa, czynnikiem limitującym pełne wykorzystanie nośności podłoża będą dopuszczalne osiadania.
Strona 60 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie stanu granicznego osiadań Zalecany w EC-7 sposób oceny osiadań polega na: określeniu osiadań fundamentów, wyznaczeniu w oparciu o te osiadania wartości odpowiednich wskaźników osiadań i różnic osiadań konstrukcji, sprawdzeniu czy wartość wskaźników nie przekraczają wartości granicznych. W obliczeniach osiadań wymaga się uwzględnienia wszystkich czynników, które mają wpływ na powstanie różnic osiadań, a więc: różnic obciążeń, uwarstwienia podłoża, wpływu sumowania się w podłożu naprężeń od sąsiednich fundamentów lub występujących w sąsiedztwie obciążeń.
Strona 61 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie stanu granicznego osiadań W przypadku gruntów częściowo lub w pełni nasyconych wodą (w naszych warunkach zawsze), zaleca się uwzględniać następujące składniki osiadań: s0 - osiadanie natychmiastowe, wynikające: • w gruntach w pełni nasyconych wodą - wyłącznie z odkształceń postaciowych, • w gruntach częściowo nasyconych wodą - z odkształceń postaciowych i doraźnych zmian objętości; s1 - osiadanie wynikające z konsolidacji; s2 - osiadanie wynikające z pełzania. Obliczanie osiadań całkowitych jako wynik trzech składników, których właściwe wyznaczenie jest trudne, nie prowadzi do większej dokładności niż „osiadania całkowite” zgodne z normą B-03020. Do wyznaczenia osiadań zaleca się stosowanie ogólnie uznanych metod.
Strona 62 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie stanu granicznego osiadań Załącznik F – przykład obliczeń Metoda sumowania odkształceń warstw podłoża Obliczenia całkowitych osiadań fundamentu na gruntach spoistych lub niespoistych wg zalecanej metody polegają na: wyznaczeniu rozkładu naprężeń w podłożu, spowodowanych obciążeniem fundamentu; naprężenia w podłożu można wyznaczać na podstawie teorii sprężystości, zazwyczaj przy założeniu jednorodnego, izotropowego gruntu i liniowego rozkładu naprężeń pod fundamentem; obliczeniu odkształceń jednostkowych w podłożu gruntowym od naprężeń na podstawie modułów odkształcenia lub innych zależności naprężenie-odkształcenie, określonych na podstawie badań laboratoryjnych lub badań polowych; sumując pionowe odkształcenia. Sumowanie odkształceń zaleca się przeprowadzać do głębokości na której efektywne naprężenia od fundamentu są równe 20% efektywnego naprężenia pierwotnego. EC-7 dopuszcza również wyznaczanie osiadań metodami uproszczonymi lub półempirycznymi, tj. na podstawie badań polowych (np. CPTU) i korelacji pomiędzy wynikami badań a osiadaniem. Strona 63 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie stanu granicznego osiadań Załącznik F – przykład obliczeń Uproszczona metoda ośrodka sprężystego Osiadania fundamentu określa się z zależności: s = (p ⋅ b ⋅ f ) E m
gdzie: Em - wartość obliczeniowa modułu sprężystości, f - współczynnik osiadania, p - nacisk na grunt pod fundamentem.
Strona 64 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie stanu granicznego osiadań Załącznik F – przykład obliczeń Uproszczona metoda ośrodka sprężystego – c.d. Wartość współczynnika osiadania f zależy od kształtu i wymiarów podstawy fundamentu, zmian sztywności gruntu wraz z głębokością, miąższości warstwy ściśliwej, współczynnika Poissona, rozkładu nacisków fundamentu i punktu, w którym obliczane jest osiadanie. Jeśli nie ma wyników osiadań pomierzonych na sąsiednich podobnych konstrukcjach i w zbliżonych warunkach gruntowych, obliczeniowy moduł Em (w warunkach z odpływem) odkształcającej się warstwy można oszacować na podstawie wyników badań laboratoryjnych lub in situ. Metodę zaleca się stosować, gdy naprężenia w podłożu gruntowym nie spowodują znaczącego uplastycznienia gruntu, a zależność między naprężeniem a odkształceniem podłoża można uważać za liniową. Wymagana jest szczególna ostrożność, gdy stosuje się tę metodę w przypadku niejednorodnego podłoża gruntowego.
Strona 65 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie stanu granicznego osiadań Załącznik F – osiadania w warunkach bez odpływu Składowe krótkotrwałego osiadania fundamentu, które występują w warunkach bez odpływu, można określać metodą sumowania odkształceń albo uproszczoną metodą sprężystości. W takich przypadkach zaleca się przyjmować wartości parametrów sztywności (takie jak moduł Em i współczynnik Poissona) odpowiadające zachowaniu gruntu bez odpływu.
Strona 66 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie stanu granicznego osiadań Załącznik H (1) Wartości graniczne odkształceń konstrukcji i przemieszczeń fundamentów (załącznik H) Zaleca się sprawdzać następujące składniki przemieszczenia fundamentu: osiadanie (ρ), różnice osiadań (δp), obrót (θ), przechylenie (ω), względne ugięcie (∆), względny obrót (β), przemieszczenie poziome, amplituda drgań.
Strona 67 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie ρ - osiadanie, δp – różnica osiadań, θ - obrót, α - odkształcenie kątowe, ∆ - ugięcie względne, ∆/L – wskaźnik ugięcia, ω - przechylenie, β - względny obrót
a) definicje osiadania s, różnicy osiadań δs, obrotu θ i odkształcenia kątowego α, b) definicje strzałki wygięcia ∆ i wskaźnika wygięcia ∆/L, c) definicje przechylenia ω, obrotu względnego (przemieszczenia kątowego) β. Rys. H.1. Definicje przemieszczeń fundamentów Strona 68 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie stanu granicznego osiadań Załącznik H Za podstawowy wskaźnik EC-7 uważa względny obrót fundamentów - β. Sprawdzenie wartości tego wskaźnika jest wymagane, stosowanie pozostałych wskaźników jest zalecane. (2) Maksymalne dopuszczalne względne obroty otwartych konstrukcji ramowych, ram wypełnionych, ścian nośnych lub ścian ciągłych z cegły są różne, jednak ich ograniczenie w zakresie od około 1/2000 do około 1/300 zapobiega wystąpieniu stanu granicznego użytkowalności konstrukcji. Dla wielu konstrukcji jest dopuszczalny maksymalny względny obrót 1/500. Względny obrót, który może wywołać stan graniczny nośności, wynosi około 1/150. (4) Dla zwykłych konstrukcji z oddzielnymi fundamentami dopuszcza się zwykle całkowite osiadania do 50 mm. Większe osiadania można dopuszczać, pod warunkiem że względne obroty pozostaną w dopuszczalnych granicach, a osiadania całkowite nie spowodują trudności z przyłączami instalacji do budynku, przechylenia konstrukcji itp. (5) Powyższe wskazówki dotyczące granicznych osiadań mają zastosowanie do zwykłych, powszechnie spotykanych konstrukcji. Nie zaleca się ich stosować do budynków i konstrukcji nietypowych lub takich, które są obciążone w sposób wyraźnie nierównomierny.
Strona 69 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Sprawdzenie stanu granicznego osiadań Załącznik H (PN-EN 1997-1:2008/Ap2) (6) Stany graniczne osiadań konstrukcji budynków zaleca się sprawdzać na podstawie miar przemieszczeń i odkształceń: smax, θmax, ∆max,ω. (7) Dla powszechnie stosowanych rozwiązań konstrukcji budynków, którym nie stawia się szczególnych wymagań co do wielkości osiadań, wartości graniczne miar przemieszczeń i odkształceń można przyjmować z Tablicy NA.3. Tablica NA.3. Wartości graniczne miar przemieszczeń i odkształceń dla budynków smax [mm] θmax [rad] ∆max [mm] ω [rad] 50 0,002 10 0,003
Strona 70 z 71
Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Fundamentowanie
Porównanie wymagań B-03020 z wymaganiami EC-7 dotyczących sprawdzania stanu granicznego osiadania Można stwierdzić, że przy projektowaniu fundamentów bezpośrednich, sprawdzenie osiadań i różnic osiadań według B-03020, będzie zgodne z zasadami EC-7. Dodając ewentualnie ze względów formalnych sprawdzenie względnego obrotu - β. sśr . ≈ ρ max ∆ S l = θ max f0 = ∆ max
θ ≈ω
Zalecane w B-03020 wskaźniki, w dostatecznym stopniu charakteryzują zagrożenia związane z osiadaniami fundamentów, tj. maksymalne przemieszczenie konstrukcji (problem doprowadzanych instalacji), obrót konstrukcji (odchylenia od pionu i poziomu ścian i stropów), odkształcenie konstrukcji (rysy, deformacje układu).
Znane są problemy z dokładnym prognozowaniem osiadań. Wymagane w B-03020 wskaźniki osiadań i różnic osiadań mieszczą się w zakresie wskaźników zalecanych przez EC-7, lub są do nich zbliżone.
Strona 71 z 71
