OPORNE in PODPORNE KONSTRUKCIJE

Transcript

1 OPORNE in PODPORNE KONSTRUKCIJE OPORNA KONSTRUKCIJA varuje vkopno brežino PODPORNA KONSTRUKCIJA varuje (podpira) nasip NAČIN GRADNJE - prost izkop (v kampadah ali z začasnim varovanjem ali v varnem naklonu), izgradnja podporne konstrukcije, odvodnjevanje, zasip za konstrukcijo, ureditev brežine - gradnja z vrha navzdol (ko začasni izkop ni varen) - če gre za nasip: najprej izgradnja konstrukcije z odvodnjevanjem in nato zasip TEŽNOSTNE PODPORNE KONSTRUKCIJE Obremenitvi z zemeljskimi pritiski se zoperstavijo z lastno težo. So toge ali gibke in iz različnih materialov ter najrazličnejših oblik. DIMENZIONIRANJE TEŽNOSTNIH PODPORNIH KONSTRUKCIJ TEŽNOSTNE - kamnit podporni zid - kamnita zložba - armirano betonski podporni zid (različne oblike) - kašte (betonske, lesene) - gabioni Bistveni sili, ki nastopata v statični obravnavi težnostnih podpornih konstrukcij sta aktivni zemeljski pritisk in lastna teža konstrukcije. Na težnostno podporno konstrukcijo pa lahko vplivajo tudi druge ugodne ali neugodne obremenitve. Osnovne količine za statično analizo težnostnih podpornih konstrukcij podaja spodnja slika: UPOGIBNE - pilotna stena - diafragma - zagatna stena - berlinska stena (vertikalni nosilci z vmesnimi polnili) ARMIRANA ZEMLJINA - obložne AB plošče s sidrnimi trakovi ali geomrežami - geomreže ali geotekstil brez obložnih plošč Na levi je primer zidu s temeljem naprej, desno pa je prikazan zid s temeljem v zaledje. Podporne konstrukcije so lahko sidrane ali ne. 1 2

2 Pri statični analizi podpornih konstrukcij moramo preveriti naslednja mejna stanja: - globalna stabilnost - prevrnitev - lega rezultante v dnu temelja - zdrs pod temeljem - nosilnost temeljnih tal Postopek statične presoje težnostnega podpornega zidu: 1. Račun projektnega aktivnega zemeljskega pritiska ob upoštevanju predpisanih količnikov varnosti 2. Račun projektne vrednosti lastne teže konstrukcije 3. Račun preostalih obremenitev (pasivni zemeljski pritisk) 4. Statične kontrole Globalna stabilnost stabilnostna analiza Prevrnitev: M = E r ; M = Gr prev a E M prev M odp odp A G - mejna stanja zaradi strujanja talne vode - dimenzioniranje kritičnih prerezov podpornih konstrukcij Lega rezultante v dnu temelja: Standardi zahtevajo, da je večji del prereza tlačen (60% do 100%). Ta pogoj vsebuje tudi kontrolo prevrnitve, saj je v trenutku prevrnitve rezultanta izven prereza, kar pomeni, da niti del prereza ni tlačen. 3 4

3 M = E r Gr E r ; N = G + E ah Eh C G av Ev e = M / N < e kr av Pri posameznih vrstah težnostnih podpornih konstrukcij so potrebne še dodatne kontrole, ki se nanašajo na dimenzioniranje prerezov podpornih konstrukcij: Armiranobetonski težnostni zid: Dimenzioniranje armiranobetonskega prereza zidu Kašte: Rezultanta je za vsak prerez v jedru prereza (glej vaje) Kontrola zdrsa v prerezih kašte (glej vaje) Gabioni: Kontrola nosilnosti mrež (glej vaje) Kamniti zidovi: Rezultanta je za vsak prerez v jedru prereza Kontrola zdrsa prerezov (če ni veziva) Kamnite zložbe: Običajno jih preverjamo z analizami globalne stabilnosti VRSTE TEŽNOSTNIH PODPORNIH KONSTRUKCIJ Kritično vrednost ekscentričnosti predpisujejo standardi običajno v deležu tlačenega temelja. Najstrožjemu kriteriju, da je cel temelj tlačen, zadostimo za pravokoten temelj z zahtevo, da je rezultanta v jedru prereza: e kr = B / 6 Sam izpelji izraz za kritično ekscentričnost, če zahtevamo, da je tlačene 60% širine temelja! Kamnit podporni zid Posamezni, največkrat pravilno oblikovani kamni so povezani z malto ali betonom. Ne prenese deformacij razpoka. Primeren za nižje podporne konstrukcije. Kamnita zložba Zložba iz kamna nepravilnih oblik v betonu ali brez veziva. Pri večjem deležu kamna veljajo značilnosti kamnitega podpornega zidu, v kolikor pa prevladuje beton, smatramo tako konstrukcijo kot nearmiran betonski zid. Kamnite zložbe v ožjem pomenu besede so brez betona ali z minimalno količino betona, zato so gibke in tako primerne za sanacije manjših plazov. So tudi prepustne za vodo in jih zato voda ne obremenjuje s hidrostatskimi tlaki. Med kamni se sčasoma ustvari humus in požene rastlinje. 5 6

4 (Armirano)betonski podporni zid Večina težnostnih podpornih zidov je danes zgrajena v betonu. Zaradi potrebe po teži, so taki zidovi masivni in so zato lahko minimalno armirani. Če zadoščajo zidovi manjših prerezov, jih je potrebno ustrezno armirati. Beton omogoča najrazličnejše oblikovanje zidov, kar lahko izkoristimo za optimiranje konstrukcije v statičnem smislu, kakor tudi za arhitektonsko oblikovanje čela zidu. Betonski težnostni zidovi slabo sledijo deformacijam. Če je uporabljena armatura, zid le redko razpoka, na dilatacijah pa pride do diferenčnih premikov. Taki zidovi so za vodo neprepustni in je zato nujno skrbno odvodnjevanje zalednih in površinskih vod. Kašte (betonske, lesene) Kašte so gibke podporne konstrukcije iz prefabriciranih armirano betonskih, kovinskih ali lesenih elementov, ki sestavljajo ogrodje (okvir) kamnitemu polnilu. So prepustne za vodo in jih veliko uporabljamo tam, kjer je zaželena gibka konstrukcija (plazovit teren, nevarnost preperevanja materiala v zaledju). Lesene kašte uporabljamo pogosto tam, kjer je pomemben sonaravni izgled konstrukcije (urejanje vodotokov v naravnem okolju). Gabioni Gabioni so konstrukcije sorodne kaštam, le da je namesto betonskih, kovinskih ali lesenih elementov uporabljena žična ali plastična mreža, v katero je ovit kamnit material. Na tak način so oblikovane»vreče«kamnitega materiala okvirne velikosti do 1*1*4 m in zložene v podporno konstrukcijo. Gabione pogosto uporabljamo pri urejanju vodotokov v kamnitem svetu, saj se z izgledom ne razlikujejo od kamnite ali prodnate struge. UPOGIBNE PODPORNE KONSTRUKCIJE STATIČNA ANALIZA UPOGIBNIH PODPORNIH KONSTRUKCIJ Glede statične zasnove ločimo: konzolne, 1x sidrane, 2 in večkrat sidrane pilotne stene. Preprosta statična analiza je mogoča za konzolno in 1x sidrano steno. Večkrat sidrana stena je statično nedoločena konstrukcija in zahteva bolj kompleksno analizo. Vselej je potrebna globalna analiza stabilnosti, ki je v nadaljevanju ne omenjamo posebej. Konzolna stena Pri obravnavi konzolne stene predpostavimo, da se pod zaledno obremenitvijo zasuka okoli neke, vnaprej neznane, točke pod nivojem vpetja. Tako preidejo na sprednji strani sprva pasivni pritiski pod obračajno točko v aktivne, na zaledni strani pa obratno. Ob tej predpostavki lahko narišemo diagrame zemeljskih pritiskov kot na naslednji sliki. Iz dveh ravnovesnih pogojev: H = 0 in M = 0 lahko izračunamo dve neznani količini in sicer globino vpetja D in globino do obračajne točke d. Sledi račun prečnih sil in upogibnih momentov v konstrukciji ter dimenzioniranje kritičnih prerezov. Iz tretjega ravnovesnega pogoja preverimo ravnovesje sil v vertikalni smeri (nosilnost tal v dnu konstrukcije), kar pa je zaradi običajno velike globine vpetja le redko kritično. 7 8

5 1x sidrana stena 1x sidrana stena se zaradi zaledne obremenitve zasuka okoli sidra. Razpored zemeljskih pritiskov je zato bolj preprost kot pri konzolnih stenah, saj je v zaledju v celoti predpostavljen aktivni pritisk (tudi nad sidrom, kjer bi sicer strogo gledano lahko prišlo do pasivnega stanja, a se sidro le toliko deformira, da tega ni potrebno upoštevati), pred steno pa pasivni. Predpostavljen potek zemeljskih pritiskov je prikazan na sliki. Iz dveh ravnovesnih pogojev: H = 0 in M = 0 lahko zopet izračunamo dve neznani količini: globino vpetja D in sidrno silo S. Sledi račun prečnih sil in upogibnih momentov v konstrukciji ter dimenzioniranje kritičnih prerezov. Posebej je potrebno dimenzionirati še sidro (dolžino veznega in prostega dela ter nosilnost). Izpolniti je potrebno tudi zelo stroge zahteve glede trajnosti sider. Tretji ravnovesni pogoj (ravnovesje sil v vertikalni smeri) omogoča kontrolo nosilnosti tal v dnu konstrukcije. Pri sidranih stenah je vpetje manjše, dodatno vertikalno obremenitev prispeva vertikalna komponenta sidrne sile, zato pri sidranih konstrukcijah kontrola tega mejnega stanja ni odveč. VRSTE UPOGIBNIH PODPORNIH KONSTRUKCIJ Pilotna stena Je upogibna podporna konstrukcija iz armiranobetonskih pilotov okroglega in različno velikega prereza (od 30 do 150 cm). Uporabljamo jo za varovanje globokih gradbenih jam ter v primerih, ko je zaradi potencialne nestabilnosti terena potrebno v tla najprej 9 10

6 vgraditi nek konstrukcijski element in šele nato izvršiti izkop. Pogosto so pilotne stene sidrane. Največja tehnična slabost takih konstrukcij je slaba izkoriščenost armature v okroglem prerezu. Obstaja vrsta tehnoloških rešitev za izkop in betoniranje pilotov v tleh. Zaradi izvedbe in morebitnih kasnejših dodatnih sider se priporoča simetrično armiranje pilotov. Če so koli nameščeni na medosni razdalji, manjši od trikratnega premera pilotov, računamo tako steno kot kontinuirno (kot n.pr. diafragmo). Diafragma Je upogibna podporna konstrukcija iz armiranobetonskih na mestu izdelanih panelov običajne debeline od 40 do 100 cm in širine 3 do 6 m. Uporabljamo jo v podobnih primerih kot pilotne stene. Prednost diafragme je v tem, da dobimo kontinuirno steno, ki je lahko tudi tel objekta, armatura je zaradi pravokotnosti prereza bolje izkoriščena, konstrukcija je lahko vodotesna. Slabost diafragme v primerjavi s pilotno stena pa je ta, da jo je težko izvesti v trših materialih (n.pr. sloj konglomerata v produ), oziroma je tam potrebna prav posebna oprema za izkop. Tudi diafragme so lahko sidrane. Diafragmo se izvaja v segmentih. Da bi bili posamezni segmenti med seboj natančno poravnani, si na vrhu izvajalec najprej pripravi vodilo (plitev jarek v širini diafragme z betonskimi stenami). Izkop za diafragmo se varuje pred rušenjem s težko bentonitno izplako. Zaradi uporabe izplake je zelo težko izvajati diafragme, ki nimajo v celi dolžini vodoravnega vrha stene. Zagatna stena Je v primerjavi s pilotno steno ali diafragmo zelo gibka upogibna podporna konstrukcija iz prefabriciranih najpogosteje kovinskih elementov (lahko pa tudi iz betona ali lesa), ki jih vtisnemo (zabijemo) v tla. Uporaba je zato lahko otežena v primeru prisotnosti trše plasti. Oblika elementov v prečnem prerezu je taka, da so med seboj povezani. Uporabnost zagatnic je široka tako pri varovanju gradbene jame in drugih začasnih vkopih, lahko pa jih uporabimo tudi kot trajne konstrukcije. Ker so elementi ozki, lahko z zagatnicami oblikujemo različne oblike podporne konstrukcije in z njimi varujemo stene izkopa za prav majhne gradbene jame, n.pr. za vodnjake poljubnih oblik. Konstrukcije iz zagatnic je mogoče razpirati ali sidrati. 11 Berlinska stena Pod tem imenom razumemo podporne konstrukcije, ki so izvedene iz jeklenih H ali I profilov, nameščenih na določeni medsebojni razdalji (1 3 m), prostor med njimi pa običajno zapolnimo z lesenimi plohi. Konstrukcija je gibka, možno jo je sidrati. Namenjena je predvsem začasnemu varovanju gradbenih jam. Računamo jo podobno kot zagatno steno, le pod nivojem vpetja, kjer ni plohov, ne moremo računati kot da je stena kontinuirna. Za ta primer obstajajo posebne metode izračuna (Wiessenbach). PODPORNE KONSTRUKCIJE IZ ARMIRANE ZEMLJINE Tovrstne konstrukcije so posebej primerne, ko je potrebno s podporno konstrukcijo varovati nasip. V nasip lahko namreč sproti z vgrajevanjem plasti nasipne zemljine, vgrajujemo še armaturne trakove ali mreže. Poznamo dve skupini takih konstrukcij: Obložne AB plošče s sidrnimi trakovi Tovrstna konstrukcija ima izgled podoben betonskim podpornim zidovom, le da je betonska obloga tanka (10 15 cm) in predstavlja le vidni zaključek konstrukcije ter zaščito proti eroziji. Nosilni element so kovinski, redko plastični armirni trakovi (lahko tudi plastične mreže). Konstrukcija je gibka, omogoča hitro gradnjo in je od ustreznega težnostnega zidu do 25% cenejša. Omogoča široko področje uporabe, predvsem pa jo uporabljamo pri gradnji priključnih cestnih nasipov na objekte v pogojih omejenega prostora, saj omogočajo gradnjo nasipa z vertikalno brežino. Tak nasip je izvedljiv pri dobro nosilnih temeljnih tleh (stabilnost!). 12

7 Različno oblikovane čelne plošče omogočajo različen izgled konstrukcije. Geomreže ali geotekstil brez obložnih plošč Kjer izgled brežine ni pomemben ali je zaželeno, da ni betonski, je mogoče izgraditi nasip s strmo brežino brez obložnih plošč samo z armiranjem zemljine. V takem primeru namesto trakov uporabljamo geotekstil (polst, filc in podobno) ali geomreže (plastične mreže). Tako izoblikovana strma brežina nasipa (45 do 75 ) se zaraste in ozeleni. Tudi v tem primeru je nujno preveriti stabilnost temeljnih tal pod nasipom s strmo brežino. DIMENZIONIRANJE PODPORNE KONSTRUKCIJE IZ AB PLOŠČ IN ARMIRNIH TRAKOV Poleg zagotavljanja globalne stabilnosti je cilj statične analize tovrstnih konstrukcij določiti potrebno dolžino in število armirnih trakov, da bo zagotovljena njihova statična vloga. Zemeljski pritiski Diagram zemeljskih pritiskov razdelimo na deleže, ki obremenjujejo posamezen trak. Tako je ustrezna rezultanta, ki jo prevzema posamezen trak enaka produktu zemeljskega pritiska na globini traku in vertikalne razdalje med trakovi: k a = tan 2 (π/4 - ϕ/2) ϑ = π/4 + ϕ/2 ϑ = π/4 - ϕ/2 e i = p a (z i ) = σ v k a - 2 c k a E i = dh e i Število trakov na nivoju i Sila v posameznem traku ne sme preseči njegove projektne nosilnosti. Zato je potrebno na vsak nivo namestiti sili E i ustrezno število trakov P d = P mej / γ trak n i = E i / P d Število trakov v posameznem nivoju na eni plošči na mora biti 2, da ne pride do sukanja plošč okrog enega traku. Dolžina trakov na nivoju i Dolžina trakov je vsota dveh delnih dolžin vsakega traku: nenosilne dolžine (l ai ), ki premosti razdaljo od obložnih plošč do aktivne porušnice in nosilne dolžene (l ni ), ki preko trenja prenaša silo traku v okolno zemljino. Nenosilno dolžino izračunamo iz geometrije aktivne porušnice: l ai = ζ i tan ϑ 13 14

8 Nosilno dolžino določimo iz ravnovesnega pogoja za posamezen nivo trakov v horizontalni smeri: sila v traku E i mora biti enaka trenju vzdolž nosilnega dela trakov širine š na obravnavanem nivoju: E i = τ i A i = τ i l ni 2 n i š τ i = σ vi tanϕ + c = (σ vi tan ϕ + c ) l ni Ei = n 2š( σ tgϕ' + c' ) i vi V zadnji enačbi je n i dejansko število trakov v posameznem nivoju. Celotna dolžina trakov je vsota obeh delnih dolžin: l i = l ai + l ni 15