Fundamenty specjalne - zagadnienia do zaliczenia wykładu
1. Eurokod 7
- metody projektowania geotechnicznego
Metody projektowania geotechnicznego według Eurokodu 7
1. Najczęściej stosowana – na podstawie obliczeń analitycznych, półempirycznych lub modeli numerycznych.
2. Zastosowanie wymagań odpowiednich przepisów ustalonych przez poszczególne kraje, np. głębokości przemarzania, wpływy sezonowe na podłoże spoiste; podstawowe założenia dla przypadków prostych, np. dla I kategorii geotechnicznej.
3. Z użyciem modeli doświadczalnych lub próbnych obciążeń, najczęściej elementów konstrukcji, np. próbne obciążenie pali, próbne obciążenie kotew gruntowych, badanie modelowe w skali naturalnej lub zmniejszonej.
4. Postępowanie metodą obserwacyjną. Projekt jest w sposób ciągły weryfikowany podczas budowy. Zasady tej metody obejmują określenie akceptowalnych granic zachowania konstrukcji, np. osiadań, przemieszczeń, sił wewnętrznych, określenie zakresu zachowań prawdopodobnych, ustalenie programu monitorowania i planu działań naprawczych, wdrażanych w przypadku, gdy obserwacje wykażą zachowania wychodzące poza akceptowalne granice.
- oddziaływania geotechniczne
W projekcie geotechnicznym należy uwzględnić następujące oddziaływania:
§ ciężar gruntu (ciężar objętościowy gruntu, ciężar szkieletu gruntowego, ciężar gruntu całkowicie nasyconego wodą, ciężar gruntu z uwzględnionym wyporem wody, ciężar gruntu z uwzględnionym przepływem wody),
§ naprężenia w gruncie(wertykalne, horyzontalne, wtórne, prekonsolidowane),
§ ciśnienie wody wolnej, ciśnienie wody gruntowej, ciśnienie spływowe,
§ statycznie przyłożone i środowiskowe obciążenia konstrukcji,
§ obciążenie naziomu,
§ siły kotwienia lub cumowania,
§ usunięcie obciążenia (odciążenia) lub wykonanie wykopu,
§ obciążenie pojazdami,
§ przemieszczenia spowodowane eksploatacją górniczą lub działalnością związaną z wykonywaniem wykopów lub tuneli,
§ pęcznienie i skurcz od roślin, wpływy klimatyczne lub zmiany wilgotności,
§ przemieszczenia związane z pełzaniem lub osuwiskiem mas gruntu,
§ przyspieszenia i przemieszczenia od trzęsienia ziemi, wybuchów, wibracji i obciążeń dynamicznych,
§ skutki działania temperatur,
§ wystąpienie sprężenia w kotwach gruntowych lub rozporach,
§ parcie poziome gruntu (Parcie geostatyczne - Ea, parcie pośrednie – EI, E0, odpór pośredni – EII,odpór graniczny - Ep),
§ tarcie negatywne.
- parametry geotechniczne
- kategorie geotechniczne
Kategorie geotechniczne obiektów budowlanych:
Kategoria I – niewielkie obiekty budowlane o statycznie wyznaczalnym schemacie obliczeniowym, posadowione na prostych warunkach gruntowych.
Kategoria II – obiekty budowlane w prostych i złożonych warunkach gruntowych, wymagające szczególnej oceny i analizy parametrów geotechnicznych podłoża.
Kategoria III – obiekty budowlane posadowiona w skomplikowanych warunkach gruntowych oraz inne obiekty budowlane o nietypowym charakterze i znaczeniu, niezależnie od stopnia skomplikowania warunków gruntowych.
2. Obliczenia fundamentów bezpośrednich na podłożu sprężystym
- modele podłoża
Modele obliczeniowe podłoża budowlanego:
a) Modele mechaniczne:
§ statyczne
o jednokrotne, skończone obciążenie.
§ dynamiczne
o najczęściej obciążenie wielokrotne, dynamiczne w czasie, np. fundamenty pod maszyny.
§ cykliczne
o obciążenia powtarzalne,
o obciążenia cykliczne.
§ reologiczne
o związane ze zmianą cech fizycznych i mechanicznych w czasie.
b) Modele wg Gryczmońskiego:
· analogowe (MA)
o Winklera (MW)
§ klasyczny
§ uogólniony
o dwuparametrowe (MDP)
o inne (IMA)
· masywu gruntowego (MMG)
o klasyczne analityczne (MKA)
§ uproszczone (MU)
§ półprzestrzeń i warstwa sprężysta (PIWS)
¨ półprzestrzeń Bousinesqua (zagadnienia: Bousinesqua (ZB), Mindlina (ZM))
o z wykorzystaniem metody: elementów skończonych (MES), elementów brzegowych (MEB), różnic skończonych (MRS)
§ półprzestrzeń i warstwa sprężysta (PIWS) (jak dla MKA)
§ model ścieżek naprężenia wg Gryczmońskiego
§ modele hiposprężyste, sprężysto-plastyczne, nieliniowo sprężysto-plastyczne
- uogólniony model Winklera, sztywność podłoża
Sztywność układu fundamentowego – podłoże gruntowe określamy za pomocą wskaźnika sztywności Kf .
B – szerokość fundamentu
L – długość fundamentu
If – moment bezwładności przekroju poprzecznego fundamentu i konstrukcji związanej z fundamentem
M0 – moduł ściśliwości podłoża (moduł endometryczny)
Ef – współczynnik sprężystości materiału fundamentu i konstrukcji związanej z fundamentem
· Kf < 1 – układy sztywne
· Kf = 1 ÷ 100 – układy sprężyste
· Kf > 100 – układy „wiotkie”
Rzeczywisty układ fundamentowy zastępuje się dyskretnym w którym każdy element, czyli fundament cząstkowy opiera się na zastępczej podporze, w której miarą podatności jest zmodyfikowany współczynnik sztywności.
qi – obciążenie fundamentu częściowego po iteracji z uwzględnieniem sztywności fundamentu
Si – osiadanie obliczone dla rzeczywistego profilu geotechnicznego, pod środkiem każdego fundamentu cząstkowego z uwzględnieniem wpływu obciążeń fundamentów cząstkowych sąsiednich.
Tok obliczeń:
1) Określenie wymiarów podstawy fundamentów spełniających wymagania SGN.
2) Ukształtowanie i geometria układu.
3) Obliczenie jednostkowych obciążeń kontaktowych q.
4) Podział fundamentu rzeczywistego na fundamenty cząstkowe z uwzględnieniem obciążeń i warunków geotechnicznych.
5) Określenie profili geotechnicznych pod środkiem każdego fundamentu cząstkowego:
§ za pomocą interpolacji
§ wykorzystanie programów komputerowych
6) Obliczenie osiadań każdego fundamentu cząstkowego z uwzględnieniem wpływu obciążeń pozostałych fundamentów.
7) Obliczenie współczynników sztywności podłoża dla każdego fundamentu cząstkowego.
8) Określenie parametrów schematu obliczeń dyskretnego układu fundament – podłoże.
9) Każdy fundament cząstkowy obciążony równomiernie opiera się na zastępczej podporze o charakterystyce sprężystej Kij.
10) Obliczenie układu dyskretnego fundamentu jako ustroju statycznie niewyznaczalnego jedną z metod mechaniki budowli.
W przypadku fundamentu sztywnego wystarczy jednokrotne obliczenie.
W odniesieniu do fundamentów sprężystych zaleca się wykonać kolejne obliczenia, aby uzyskać zbliżenie wartości naprężeń kontaktowych.
11) Wymiarowanie konstrukcji dla wyznaczonych sił zewnętrznych.
- wykorzystanie MRS - belka, - płyta - podłoże dwuparametrowe (wg Koseckiego)
Model obliczeniowy opisujący więzy kontaktowe fundament – podłoże gruntowe powinien umożliwiać co najmniej realistyczne oszacowanie osiadań i sił wewnętrznych ustroju fundamentów. Wymagań tych nie spełnia stosowany w projektowaniu, jednoparametrowy model podłoża Winklera, który dopiero po odpowiednim kalibrowaniu parametru C sztywności podłoża może służyć do oszacowania momentów zginających w fundamentach, bez realnej oceny osiadań i ich wpływu na zachowanie się elementów konstrukcji budowli.
Proponowany układ obliczeniowy fundament – podłoże gruntowe opiera się na dyskretnym modelu dwuparametrowego podłoża sprężystego, który umożliwia uwzględnienie wpływu zagłębienia fundamentu w gruncie oraz uplastycznienie gruntu pod jego krawędziami. Umożliwia realne obliczanie osiadań i sił wewnętrznych konstrukcji posadowionej na gruntach uwarstwionych za pomocą stóp, ław, itd. Obliczenia realizuje się dostępnymi programami do analizy statycznej konstrukcji budowli.
Modelowanie podłoża gruntowego
Uwzględniając podłoże gruntowe uwarstwione o nieregularnym układzie warstw, analizuje się bryłę współpracującego z fundamentem gruntu o miąższości H = zmax. Przeprowadzając dyskretyzację aktywnej bryły podłoża oblicza się sztywności gruntu na ściskanie i ścinanie wg założeń podłoża dwuparametrowego i zastępuje je schematem statycznym rusztu sprężystego, którego pręty w węzłach podziału podłoża na elementy mają jeden stopień swobody, umożliwiający przemieszczenie pionowe. Tak określony schemat statyczny rusztu symuluje w układzie fundament-podłoże właściwości sprężyste ośrodka gruntowego. Rozpatrując przekroje geotechniczne bryły podłoża współpracującego z fundamentem w kolejnych węzłach siatki podziału wyznacza się parametry sztywności podłoża gruntowego z następujących zależności:
Sztywność podłoża gruntowego:
· na ściskanie
[MN/m3]
· na ścinanie
[MN/m2]
gdzie:
ni – współczynnik Poissona
di = E0i/M0i
E0i – moduł odkształcenia gruntu
bi = E0i/Ei – wskaźnik skonsolidowania gruntu
Przyjmując podział podłoża na elementy prostokątne określa się w kierunkach do siebie prostopadłych sztywności na ścinanie oraz odpowiadające im sztywności giętne prętów utwierdzonych w węzłach rusztu symulującego podłoże.
Rozpatrując przykładowo węzeł k w kierunku węzła k+1 otrzymuje się sztywność na ścinanie:
[MN/m]
oraz odpowiadającą jej sztywność giętną pręta rusztu utwierdzonego sztywno w węzłach k i k+1:
[MNm2]
Sztywność podpory sprężystej rusztu w węźle k odpowiadającą sztywności podłoża gruntowego na ściskanie:
Wpływ uplastycznienia gruntu.
Uplastycznienie gruntu występuję pod krawędziami fundamentów dostatecznie sztywnych przed osiągnięciem nośności podłoża fundamentu, już pod nieznacznymi obciążeniami. Wpływ ten szacuje się wyznaczając nośność graniczną podpór sprężystych pod krawędziami fundamentu w wyniku określenia sił oporu tarcia gruntu w strefie jego uplastycznienia.
Przyjmuje się, że uplastycznienie pod krawędziami występuje do głębokości obliczeniowej zf, gdzie:
B0 – szerokość obliczeniowa fundamentu (nie większa niż rzeczywista szerokość B oraz 12h, gdzie h jest rzeczywistą lub sprowadzoną grubością fundamentu)
Nośność graniczna krawędziowych podpór sprężystych określa opór grunty uplastycznionego w zależności:
[kN/m]
– współczynnik parcia spoczynkowego,
fui – kąt tarcia wewnętrznego. i-tej warstwy gruntu,
xi = x1x2 – iloczyn współczynników uwzględniających spójność i genezę gruntu,
gi’ – ciężar objęt...
chomik_budowlany