DOSKY NA STLAČITEĽNOM PODLOŽÍ

Transcript

1 České vysoké učení technické v Praze Fakulta stavební Studentská vědecká a odborná činnost Akademický rok 2008/2009 DOSKY NA STLAČITEĽNOM PODLOŽÍ Jméno a příjmení studenta : Ročník, obor : Vedoucí práce : Katedra : Barnabás Polák Konštrukcie pozemných stavieb, 4. roč. Ing.Mgr. Jan Valenta katedra Geotechniky

2 OBSAH 1. ÚVOD 1 2. POPIS KONŠTRUKCIE 1 3. GEOLOGICKÉ PODMIENKY 1 4. MOŽNOSTI ZALOŽENIA KONŠTRUKCIE PODLAHY 2 5. LABOLATÓRNE MERANIA VZORKOV 3 6. GEOTECHNICKÉ VÝPOČTY ZAŤAŽOVACIE STAVY PARAMETRE MATERIÁLOV POUŽITÝCH VO VÝPOČTOVÝCH MODELOCH MODEL č.1 BEZ ÚPRAVY PODLOŽIA MODEL č.2 CELÁ VRSTVA POPOLČEKU UPRAVENÁ CEMENTÁCIOU MODEL č.3 CELÁ VRSTVA POPOLČEKU UPRAVENÁ A NAHRADENÁ MEDZNÉ STAVY KONŠTRUKCIE PODLAHY ZÁVER PRÍLOHY 15

3 ANOTACE ANNOTATION

4 1. ÚVOD Dosky na stlačiteľnom podloží je jedna z najaktuálnejších problémov geotechniky obecne. Dá sa povedať, že sa jedná o problém veľmi málo preskúmaný, objasnený čo má za následok, že návrhy takto situovaných dosiek sú často nevhodné, v lepších prípadoch predimenzované, ktoré sú ale neefektívne najmä z ekonomického hľadiska. Táto páca sa zaoberá špecifickým prípadom takýchto dosiek a to základovými doskami priemyselných podláh. Základové dosky priemyselných podláh sa vyznačujú veľkým zaťažením a pomerne prísnými požiadavkami na svoju použiteľnosť, hlavne sadanie. Preto cieľom práce je ponúknúť odborníkovy (projektant, statik, geotechnik) stručný návod ako v takýchto situáciách postupovať. Tento návod je vypracovaný ako návrh a posudok základovej dosky priemyselnej podlahy skladových hál v logistickom centre v Semtíně neďaleko Pardubíc. Vzhľadom k rozsahu práce nebolo možné zachytiť všetky úskalia návrhu, len tie hlavné. 2. POPIS KONŠTRUKCIE Pri návrhu a posudku konštrukcie základovej dosky boli dodané základné parametre konštrukcie, zaťaženie, dilatácie, tak ako ich navrhol projektant. Tieto parametre slúžili ako základ pre všetky výpočty, modely a posudky. Dodané parametre : - hrúbka dosky 220 mm - materiál - drátkobeton - dilatačné celky 40 x 40 m - zaťaženie: - plošné 7t/m 2 - sústava síl 7,5 t Podrobný popis jednotlivých materiálových vlastností je uvedený v odstavci 6.2 Parametre materiálov použitých vo vypočtových modeloch. Taktiež v odstavci 6.1 Zaťažovacie stavy je uvedený podrobny popis zaťažení. 3. GEOLOGICKÉ PODMIENKY Objekty logistického centra sú situované v Semtíně neďaleko Pardubíc na pozemku, ktorý v minulosti slúžil ako skládka popolčekov z tepelných elektrární. Geológia tejto oblasti je charakteristická veľkou mocnosťou cca 5 metrov už vyššie spomínaných popolčekov, ktoré sa vyznačujú malou objemovou hmotnosťou a vysokou stlačitelnostou. Popolček je charakteru jemnozrnných zemín s prímesou piesčitej frakcie. Pod vrstvou popolčekou v hĺbke cca 5 metrov sa nachádza pokryvný útvar o celkovej mocnosti cca 1 m, ktory sa dá charakterizovať ako štrkopiesok. Pod pokryvným útvarom v hĺbke cca 6 metrov sa nachádza silne rozrušený ílovec mocnosti cca 0,8 metra. Pod vrstvou silne rozrušeny ílovca v hĺbke cca 7,3 metra sa nachádza mierne rozrušený ílovec, ktorý sa s narastajúcou hĺbkou - 1 -

5 mení na pevný a postupne v hĺbke cca 17.3 metra až na neporušený ílovec. Všetky charakteristiky vyššie uvedených zemín sú uvedené v odstavci 6.2 Parametre materiálov použitých vo vypočtových modeloch. Hladina podzemnej vody bola na základe inžiniersko geologického prieskumu stanovená v hĺbke cca 4,5 metra. Vrstva č.1 Popolček Vrstva č.2 - Štrkopiesok Vrstva č.3 Silne rozrušený ílovec Vrstva č.4 Mierne rozrušený ílovec Vrstva č.5 Pevný ílovec Vrstva č.6 Neporušený ílovec Obr. č.1 Pôvodný geologický profil 4. MOŽNOSTI ZALOŽENIA KONŠTRUKCIE PODLAHY Na návrh založenia konštrukcie podlahy sa ponúkajú viaceré varianty, a to hlavne: - výmena resp. úprava podložia pod konštrukciou - piloty umiestnené v štvorcovej sieti a previazané železobetonovým roštom - piloty umiestnené v štvorcovej sieti + geotextília a čiastočná úprava podložia - štrkopieskové piloty umiestnené v štvorcovej sieti + geotextília a čiastočná úprava podložia - 2 -

6 Krátká charakteristika jednotlivých variant: 1, Výmena resp. úprava podložia pod budúcou konštrukciou: Jedná sa o variantu, pri ktorej sa uvažuje s hutnením, cementaciou stávajúcej zeminy (popolček) a to do stavu, pri ktorom následne vybudovaná konštrukcia vyhovie všetkým požiadavkám, ktoré sú na ňu kladené. 2, Piloty umiestnené v štvorcovej sieti a previazané železobetonovým roštom: Táto varianta predpokladá zhotovenie plávajúcích pilót v štvorcovej sieti cca 4 metre, ktoré sú previazané želozobetonovým roštom, ktory je tvorený železobetonovými trámami, ktoré slúžia ako líniové podpory po obvode podopretej základovej dosky budúcej podlahy. 3, Piloty umiestnené v štvorcovej sieti + geotextília a čiastočná úprava podložia: Daná varianta predpokladá zhotovenie plávajúcích pilót v štvorcovej sieti cca 3 metre, nad ktorými je umiestnená vrstva geotextílie (prípadne viac vrstiev), ktorá tvorý nosný podklad pre spevnenú vrstvu (cementáciou) o celkovej mocnosti cca 0,7 metra, nad ktorou bude umiestnená búdúca nosná konštrukcia podlahy. 4, Štrkopieskové piloty umiestnené v štvorcovej sieti + geotextília a čiastočná úprava podložia: Posledná varianta predpokladá zhotovenie štrkopieskových pilót v štvorcovej sieti cca 2 metre, nad ktorými bude umietnená zhutnená a zároveň zpevnená vrstva o celkovej mocnosti cca 0,7 metra,ktorá bude tvoriť zpevnený podklad pod budúcou nosnou konštrukciou podlahy. Na podrobné modelovanie a posúdenie bola vybraná varianta č.1 Výmena resp. úprava podložia pod budúcou konštrukciou. Táto varianta si vyžaduje uskutočnenie podrobných labolatórných meraní. Tieto merania boli realizované a podrobne o nich pojednáva nasledujúca kapitola. 5. LABOLATÓRNE MERANIA VZORKOV Varianta č.1 - Výmena resp. úprava podložia pod budúcou konštrukciou, si vyždadovala uskutočnenie niekoľkých labolatórných meraní z dôvodu bližšieho určenia jednotlivých charakteristík zeminy, ktoré vstupujú do výpočtov a výrazným spôsobom ich vysledky ovlivňujú. Jedná sa hlavne o deformačné moduly (E def ). V rámci labolatórných skúšok boli uskutočnené skúšky Proctor standard zistenie zhutniteľnosti zeminy a Edometrické skúšky na zistenie oedometrického modulu (E oed ) z ktorého sa určil deformačný modul (E def ). V prvom rade bola uskutočnená skúška Proctor standard, ktorá hovorí o zhutniteľnosti zemín. Pri negatívnom výsledku tejto skúšky by nemalo zmysel ďalej pokračovať v ďalších meraniach a ani výpočtoch. Pre realizáciu skúšky Proctor standard boli odobraté vzorky zeminy (popolček) priamo in-situ. Na odobratých - 3 -

7 vzorkoch sa stanovila skutočná vlhkosť a následne vykonala skúška. Nasledujúci graf prezentuje namerané výsledky zo skúšky Proctor standard. Proctor standard 1020 Objemová hmotnosť r (kg/m 3 ) Řada vlhkosť w (%) w = w opt = Graf č.1 Proctor standard 40 % - pôvodná vlhkosť 41 % - optimálna vlhkosť pri hutnení ρ max = 999 kg/m 3 max suchá objemová hmotnosť Po uskutočnení skúšky Proctor standard sa uskutočnila Edometrická skúška na zistenie oedometrického modulu (E oed ) z ktorého sa určil deformačný modul (E def ). Skúška sa uskutočnila na zhutnených vzorkoch. Vzorky boli zhutnené ako pri skúške Proctor standard. Edometrická skúška sa uskutočnila na prístroji edometer. Do prístroja sa vkladali rôzne upravené vzorky o priemere 101,5 mm a výšky 30 mm. Nasledujúci graf (graf č.2) znázorňuje namerané výsledky na vzorke prirodzenej vlhkosti, ktorá bola upravená hutnením (ako na skúške Proctor standard)

8 E oed v závislosti na napätí Edometrický modul Eoed (Mpa) ,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 Napätie σ (Mpa) Řada1 Graf č.2 Edometrická skúška Po ukončení skúšky boli z nameraných hodnôt E oed vypočítané hodnoty E def pre jednotlivé intervali napätí. Vo výpočtoch sa neuvažuje s konštantnou hodnotou E def, ale s premenlivou. Zmena hodnoty E def je závisla na práve pôsobiacom napätí. Tieto skutočnosti výrazným spôsobom ovlivňujú konečné výsledky. Vzorec pre výpočet E def : E def = β E oed ; β = 1 2 ν 1 ν 2 β súčiniteľ ν poissonovo číslo - 5 -

9 6. GEOTECHNICKÉ VÝPOČTY Vybraná varianta (Výmena resp. úprava podložia pod budúcou konštrukciu) bola modelovaná ako 2D úloha osovo symetrická. Celkovo bolo zostavené tri výpočetné modely, ktoré sa odlišujú v úpravách prvej geologickej vrstvy popolčeku. Pri modelovaní boli použité dva zaťažovacie stavy, ktoré sú podrobne popísané v kapitole 6.1 Zaťažovacie stavy. Všetky modely sa vyznačujú rovnakým rozhraním (140metrov šírka a 20 metrov hĺbka), základnou geológiou (od pokryvného útvaru smerom do hĺbky) a hladinou podzemnej vody, ktorá sa nachádza v hĺbke 4,5 metra pod terénom. Všetky charakteristiky materiálov sú podrobne popísaneé v kapitole 6.2 Parametry materiálov použitých vo výpočtových modeloch. Taktiež majú všetky modely rovnaké fázy budovania, a to: 1, - výpočet pôvodného geostatického napätia, včetne vody 2, - aktivácia základových dosiek do výpočtu 3, - aktivácia zaťaženia Pri modelovaní bol pre zeminy použitý Mohr Coulombov model, ktorý v dostatočnej miere vystihuje chovanie zemín. Pri doskách sa predpokladá pružné chovanie, čo vedie k získaniu krivostí neovlivnených plastickým pretvorením. Tieto krivosti sa v záverečnom posudku porovnávajú s medznými hodnotami a určujú použiteľnoť jednotlivých materiálových variant dosiek (prostý beton, drátkobeton, železobeton). Jednotlivé dosky sú navzájom spojené kĺbovým mechanizmom vždy vo vzdialenosti 40 metrov, čo predstavuje dilatačné celky. Všetky geotechnické výpočty boli počitané v programe GEO 4 MKP

10 6.1. ZAŤAŽOVACIE STAVY Ako už bolo vyššie napísané, tak sa pri modelovaní uplatnili dva zaťažovacie stavy, a to : 1, - zaťaženie plným plošným zaťažením o velkosti 70 kn/m 2 2, - zaťaženie sústavou osamelých síl, ktoré predstavujú budúce regály, o velkosti 75 kn jedno bremeno Pre lepšie predstavenie spôsobu zaťženia je uvedený obrázok č.1 ač.2. Obr. č.2 Zaťžovací stav č.1 plné zaťženie Obr. č.3 Zaťžovací stav č.2 zaťaženie sústavou síl - 7 -

11 6.2. PARAMETRE MATERIÁLOV POUŽITÝCH VO VÝPOČTOVÝCH MODELOCH Parametre jednotlivých zemín použitých vo výpočtoch: Parametre nosníkov: Tab.: č. 1 Parametre zemín Tab.: č. 2 Parametre nosníkov - 8 -

12 6.3. MODEL č.1 BEZ ÚPRAVY PODLOŽIA Model č.1 je model, ktorý plne rešpektuje pôvodnú geológiu, tzn., že neboli uskutočnené žiadne úpravy podložia (vrchná vrstva popolček, mocnosť 5,5 metra). Výpočet bol uskutočnený presne podľa popisu, ktorý je uvedený v kapitole 6 Geotechnické výpočty, pri ktorom boli použité charakteristiky jednotlivých materiálov ako ich uvádza kapitola 6.2 Parametre materiálov použitých vo výpočtových modeloch. Tento model ukazuje akých deformácií by sa dosiahlo bez akejkoľvek úpravy podložia. Výsledky slúžia predovšetkým ako srovnávacie s ostatnými modelmi a zároveň ukazujú aká mäkká a stlačiteľná je vrstva popolčekov. Obr. č.4 Deformácie od plného zaťaženia Def. Z max: 128,1 mm Obr. č.5 Deformácie od zaťaženia sústavou síl Def. Z max: 144,4 mm - 9 -

13 6.4. MODEL č.2 CELÁ VRSTVA POPOLČEKU UPRAVENÁ CEMENTÁCIOU Model č.2 je model, ktorý čiastočne rešpektuje pôvodnú geológiu, tzn., že došlo k zmenám v geológii a to u vrstvy popolčeka, ktorý bol nahradený vrstvou cementovaného popolčeku. Cementácia je uskutočnená 3% cementu (objemovo). Výpočet bol uskutočnený presne podľa popisu, ktorý je uvedený v kapitole 6 Geotechnické výpočty, pri ktorom boli použité charakteristiky jednotlivých materiálov ako ich uvádza kapitola 6.2 Parametre materiálov použitých vo výpočtových modeloch. Tento model ukazuje akých deformácií by sa dosiahlo s plnou cementáciou vrchnej vrstvy (popolček). Treba ale podotknúť, že takáto úprava je neefektívna, hlavne z hľadiska ekonomického. Výsledky slúžia predovšetkým ako srovnávacie s ostatnými modelmi. Obr. č.6 Deformácie od plného zaťaženia Def. Z max: 22,5 mm Obr. č.7 Deformácie od plného zaťaženia Def. Z max: 8,1 mm

14 6.5. MODEL č.3 CELÁ VRSTVA POPOLČEKU UPRAVENÁ A NAHRADENÁ Model č.3 je model, ktorý čiastočne rešpektuje pôvodnú geológiu, tzn., že došlo k zmenám v geológii a to u vrstvy popolčeka. Táto vrstva bola nahradená 2 vrstvami hutneného popolčeka a jednou vrstvou cementovaného popolčeka. Prvá vrstva hutneného popolčeka sa nachádza v hĺbke od 3,5 metra do hĺbky 5,5 metra (mocnosť 2 metre), v kapitole 6.2 je uvedená ako Hutnený popolček č.2. Druhá vrstva hutneného popolčeka sa nachádza v hĺbke od 1,5 metra do 3,5 metra (mocnost 2 metre), v kapitole 6.2 je uvedená ako Hutnený popolček č.1. Jediný rozdiel v parametroch hutnených popolčekov je v deformačnom module (E def ). Deformačný modul sa vo výpočtoch neuvažuje konštantný, ale premenlivý. Táto zmena ja spôsobená zmenou napätia, tzn., že hutnené popolčeky sa nachádzajú v rôznych napätostných štádiách. Vďaka uskutočneným labolatórným skúškám, boli zistené zmeny E def v závislosti na napätí, čo umožnilo tieto zmeny využiť aj pri modelovaní. Pretože E def výraznou mierou ovlivňuje výsledky výpočtu je zmena E def v závislosti na napätí správným krokom k spresneniu výpočtu, a k priblíženiu vysledkov k reálným hodnotám. Nad druhou vrstvou hutneného popolčeka sa nachádza cementovaná vrstva popolčeka, pričom cementácia je uskutočnená 3% cementu (objemovo). Mocnosť tejto vrstvy je 1.5 metra. V ostatnej časti geologického profilu nedošlo k žiadným zmenám. Výpočet bol uskutočnený presne podľa popisu, ktorý je uvedený v kapitole 6 Geotechnické výpočty, pri ktorom boli použité charakteristiky jednotlivých materiálov ako ich uvádza kapitola 6.2 Parametre materiálov použitých vo výpočtových modeloch. Tento model ukazuje akých deformácií by sa dosiahlo s čiastočnou cementáciou a čiastočným zhutnením vrchnej vrstvy (popolček). Obr. č.8 Deformácie od plného zaťaženia Def. Z max: 54,7 mm

15 Obr. č.9 Deformácie od plného zaťaženia Def. Z max: 39,3 mm

16 7. MEDZNÉ STAVY KONŠTRUKCIE PODLAHY Ako najvhodnejším posúdením základovej konštrukcie podlahy sa ukázalo posúdenie pomocou krivostí. Na základe krivostí je možné s veľkou presnosťou určiť medzné stavy (medzné krivosti) pre jednotlivé materiálové varianty základovej konštrukcie podlahy (prostý beton, drátkobeton, železobeton). Z jednotlivých ohybových čiar získaných ako výsledky modelovaní je možné určiť krivosti v každom mieste konštrukcie, ktoré sa porovnajú s limitnými krivosťami, ktoré zodpovedajú jednotlivým materiálovým modelom. Na konečné posúdenie boli použité nizšie uvedené vzorce. Vzorce na posúdenie: ρ = 1 r = M C ; 1 C = ; E I f ctk M = x I ρ Krivosť obecne (m -1 ) M Ohybový moment (kn.m) C Poddajnost (MN.m -2 ) E Modul pružnosti (Mpa) I Moment zotrvačnosti (m 4 ) x Výška tlačenej oblasti (m) f ctk Pevnosť v ťahu (Mpa) 1, Posúdenie konštrukcie z prostého betonu: ρ lim = 1 r = f ctk 2 h E - limitná krivosť pre max. únosnosť 2, Posúdenie konštrukcie z drátkobetonu: ρ lim 1 f ctk 2 = = r h E 3, Posúdenie konštrukcie z železobetonu: - limitná krivosť pre max. únosnosť ρ lim 1 = 1 r = f ctk ( h x ) E - limitná krivosť pre pružný stav

17 1 ρ lim 2 = = M Rd 1 Ι C r [( ζ ) C + ζ ] - limitná krivosť pre max. únosnosť M Rd - Moment na medzi únosnosti (kn.m) C l - Poddajnost pružného prvku (MN.m -2 ) C ll - Poddajnost prvku porušeného trhlinami (MN.m -2 ) ζ - Súčiniteľ (-) ΙΙ 8. ZÁVER

18 9. PRÍLOHY

19 - 16 -

20 - 17 -

21 - 18 -