Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Transkript

1 Katedra geotechnky a podzemního stavtelství Zakládání staveb Sedání základů doc. Dr. Ing. Hynek Lahuta Inovace studjního oboru Geotechnka CZ.1.07/2.2.00/ Tento projekt je spolufnancován Evropským socálním fondem a státním rozpočtem ČR.

2 Inovace studjního oboru Geotechnka SEDÁNÍ ZÁKLADŮ II. skk mezních stavů Příčny sedání: přtížení objektu dynamcké účnky strojů změny HPV pokles terénu poddolováním Rovnoměrné Nerovnoměrné není zdrojem vynucených přetvoření a napětí Průhyb Naklonění Obr. 1. Nerovnoměrné složky sedání: a)relatvní průhyb s/ L ; c) nakloněn s/ L T ní s/ b ; b)relatvní pokles (úhlové přetvoření) Převod E def E oed Sednutí podle dosaženého stupně konsoldace: konečné plná konsoldace od daného přtížení částečnéé částečná konsoldace od daného přtížení podle dosaženého přtížení základ. půdy: celkové dílčí Rychle konsoldující zemny c v 10 6 m 2 sec 1 rozhodující část sednutí projeví během výstavby pro studenty bylyy vytvořeny v rámc projektu: Inovace studjního oboru geotechnka fnancovaného z prostředků EU a státního rozpočtu ČR

3 Inovace studjního oboru Geotechnka Obr. 2. Časový vývoj sedání Vstupní velčny pro návrh plošných základů zahrnují pro mezní stav použtelnost deformace (sedání): geologcký model podloží, geotechncký model podloží s odvozeným parametry geotechnckých vlastností základové půdy, především deformačních parametrů podloží zatížení, které základová konstrukce bude přenášet pro mezní stav použtelnost jde především o stálé zatíženíí (G) v souladu s ČSNN EN resp (dříve provozní zatížení) podklady pro posouzení tuhost základové konstrukcee a to ať jžž z pohledu výpočtu přtížení v podloží pod základem, tak pro následné posuzování mezního stavu STR vlastní základové konstrukce (vv souladu s ČSN EN 1992 resp. 1994) Základní podmínka návrhu plošných základů z pohledu mezního stavuu použtelnost- sedání (SLS) (1) Základní podmínkou př ověřování mezních stavů použtelnost základové půdy nebo konstrukční část prvku nebo spoje, s se musí vyžadovat (dle čl. 2:4:8.(1) 2 ČSN EN ), aby E d C d Kde E d je návrhováá hodnota účnku zatížení C d mezní návrhová hodnota účnku zatížení když v základní formě pod hodnotou účnku zatíženíí se myslí výpočtové deformace, v prvé řadě absolutní č nerovnoměrné sedání základů a mezní hodnotou účnku zatížení se myslí přípustná hodnota této deformace. (2) Základní podmínka tak přechází na tvar: s s lm resp. Δ s /L ǀ Δ s /L ǀ lm když L je hodnota vzdálenost pro níž see rozdíl deformace určuje, pro tuhé plošné základy je to jejch rozměr, pro dva základy propojené v horní část rámovou konstrukcí je to t jejch osová vzdálenost. U poddajného základu, tenčí základové desky, půjde o průhyb. (3) Pro orentační posouzení tuhost t systému k lze využít vztahu: pro studenty bylyy vytvořeny v rámc projektu: Inovace studjního oboru geotechnka fnancovaného z prostředků EU a státního rozpočtu ČR

4 Inovace studjního oboru Geotechnka k = E/Edef d ( t/l) 3 kde E je modul pružnost materálu základové konstrukce; E def je modul deformace základové půdy do hloubky deformační d zóny jeho vážený průměr př proměnném podloží t je tloušťka základové konstrukce; l je rozměr základové konstrukce ve směru, ve kterém se určuje tuhost Pro k < 1 je základ považován za poddajný, pro k > 1 se základová konstrukce považuje za tuhou. Př řešení závažnějších případů se doporučuje řešt napětí společná přetvoření stavby s a podloží metodam nterakce. K tomu většnou slouží numercké výpočetní modely. (4) Př posuzování obou základních mezních stavů porušení a použtelnost pro plošné základy je obecně mezní stav porušení typcký pro základy o menší ploše, naopak pro základy s větší plochou je rozhodující mezní stav použtelnost deformace základů. (5) Výpočet deformace elementu základové půdy vychází ze 2 základních předpokladů: - stanovení počátečního stavu napjatost a následně stanovení změnyy napjatost v tomto elementu, když změna napjatost vyvolá sledovanou změnu deformace; - stanovení deformačních charakterstk zemny platnýchh pro tentoo element a to se zřetelem k první fáz, pro jaký rozsah napjatost tato deformační charakterstka byla stanovena. Pro první předpoklad lze využít základních učebnc mechankyy zemn, např. Vaníček (1982), Vaníček,I a Vaníček,M (2008), resp. byly obsaženy v ČSN ( ). Z pohledu druhého předpokladu je třeba odlšt, zda se element bude deformovat: - obecně, jak svsle, tak vodorovněě obecně deformace za z 3 D podmínek - pouze svsle za 1 D podmínek, když element je bočně omezenn a nebo vodorovné přtížení odpovídá tlaku v kldu. Toto odlšení je významné pro ocenění okamžtéhoo (počátečního) sedání zemn nasycených. Schéma uvádí obr. 3. pro studenty bylyy vytvořeny v rámc projektu: Inovace studjního oboru geotechnka fnancovaného z prostředků EU a státního rozpočtu ČR

5 Inovace studjního oboru Geotechnka Obr. 3.Standardní případy deformace elementu zemny (6) Přípustné hodnoty pohybu základů hodnoty absolutních a nerovnoměrných sedání může specfkovat projektant celé stavby, horní konstrukce, pro níž jsou základyy navrhovány. ČSN EN zde uvádí: pokud chybí specfcké mezní hodnoty deformací podporované konstrukce, mohou se použít hodnoty deformací konstrukcee a pohybuu základu uvedené v Příloze H. Orentační hodnoty v souladuu s doporučením ČSNN ( ( 0) jsou pro celkové sedání řádově 60 mm a nerovnoměrné řádově 0,0015 až 0, 003 (vz tab.1). Tab.1. Orentační lmtní hodnoty absolutního nerovnoměrného sedání. Konečné celkové Druh stavby průměrné sednutí s m,lm m Nerovnoměrné sednutí Hodnota [mm] Druh Hodnota 1. Budovy a konstrukce, u nchž nevznkají vlvem nerovnoměrného sedání přídatná namáhání a není nebezpečí porušení prostupůů a souvsejících konstrukcí 120 s/l T s/l 0,003 0,006 pro studenty bylyy vytvořeny v rámc projektu: Inovace studjního oboru geotechnka fnancovaného z prostředků EU a státního rozpočtu ČR

6 Inovace studjního oboru Geotechnka 2. Konstrukce statcky určté 2.1 železobetonové statcky neurčté s/l s/l 0,005 0, ocelové statcky neurčté 80 s/l 0, Vícepodlažní skeletové budovy 3.1 železobetonové skelety s výplňovým zdvem 60 s/l 0, ocelové zdvem skelety s výplňovým 70 s/l 0, Vícepodlažní budovy s nosným stěnam 80 s/l T 0, zděné z chel a blokůů se ztužujícím věnc z velkorozměrových panelů a monoltckého betonu 60 s/l 0, Tuhé železobetonové konstrukce 200 s/b 0, Komíny do výšky 1000 m Komíny vyšší než 100 m s/b s/b 0,005 0, Jeřábové dráhy 50 s/l 0,0015 (7) V souladu s článkem v ČSN EN : - výpočet sedání musí zahrnovat jakk okamžté, tak konsoldační sedání; - pro částečné nebo plně nasycené zemny se mají uvažovat následující tř složky sedání: - s 0 (též s ) - okamžté (počáteční) sedání; pro plně nasycenou n zemnu v důsledku smykové deformace za stálého objemu a pro částečně nasycenou zemnu v důsledku jak smykové deformace, tak snížení objemu; - s 1 (též s c ) konsoldační sedání; - s 2 (též s s ) sedání vyvolané creepem, (sekundární sedání). - mají se použít běžně uznávané metody pro vyhodnocení sedání - sedání v čase pro nasycené zemnyy a pro 1D a 3D podmínky uvádí obr. 4. pro studenty bylyy vytvořeny v rámc projektu: Inovace studjního oboru geotechnka fnancovaného z prostředků EU a státního rozpočtu ČR

7 Inovace studjního oboru Geotechnka Obr. 4. Sedání v čase pro nasycené zemny pro 1D a 3D podmínky. Výpočtové kontaktní napětí v základové spáře pro SLS (1) Pro výpočet sedání se vychází z rovnoměrného kontaktního napětí v základové spáře, stanoveného jako poměr svslého zatíženíí a jeho plochy. σ d = V d / A Hodnota svslého zatížení není v ČSN EN jednoznačně defnována, ale z dkce je zřejmé, že musí obsahovat zatížení stálé (charakterstckou hodnotu svslého stálého zatížení G k ) a případně částt zatížení proměnného,, které působí dlouhodoběj. Protoo výběr relevantních návrhových stuací a s tím spojené zatížení je nutným prvním krokem. ČSN ( ) byla v tomtoo směru jednoznačnější, neb defnovala, že pro výpočet sedání se vychází z provozního výpočtového zatížení v upravené základní kombnac sestávající ze zatížení stálých, nahodlýchh dlouhodobých a trvalých složek krátkodobých zatížení.. (1) Pro deformac podloží sedání je třeba vycházet z přtížení v základové spáře σ o σ ol = σ d - σ or kde σ or je původní svslé napětí v úrovn základové spáry, nejčastěj σ or = γ. D kde D je hloubka založení. (3) Pro poddajný základ je možné počítat přtížení v podloží od hodnotyy σ ol pod vybraným bodem nejčastěj rohem a středem základu a tak spočítat jeho prohnutí. ol: pro studenty bylyy vytvořeny v rámc projektu: Inovace studjního oboru geotechnka fnancovaného z prostředků EU a státního rozpočtu ČR

8 I u = μ 0. Když μ 0 a μ1 lze odečíst z grafů na obr. 5. μ 1 Inovace studjního oboru Geotechnka (4) Pro tuhý základ se počítá s průměrným sedáním a vychází se z přtížení v podloží pod charakterstckým bodem základu (kde je teoretcké sedání poddajnéhoo tuhého základu stejné). (5) Př významném excentrckém zatížení tuhého základu je j vhodné stanovt naklonění základu Výpočet počátečního sedání (1) Výpočet počátečního sedání je třebaa rozdělt na případy zemn nasycených a částečně nasycených. (2) Pro nasycené zemny je počáteční deformace elementu možná m pouzee za 3D podmínek, když změna objemu elementu je nulová. V tomto případě lze využít t metod deformace pružného poloprostoru a nebo metod drahh napětí. (3) Zemny částečně nasycené obsahují v pórech stlačtelný vzduch. Přetváření může probíhat jak za 1D tak 3D podmínek.. Velkost počátečního o sedání se odvodí z výsledků laboratorních zkoušek, když velkost slně závsí na stupn nasycení n a propustnost ( pro vzduch) ). (4) Metody výpočtu počátečního sedání pružného poloprostoru vcházejí ze e základního vztahu: S = σ ol. B/E u. I u Kde B - je šířka č poloměr základu E u modul deformacee stanovený za neodvodněných podmínek I u - příčnkový faktor, který závsí na Possonově čísle (pro neodvodněné podmínky odpovídá 0,5), na tvaru základu, hloubcee založení a nestlačtelnému podloží v reálné hloubce pod základovou sparou. Pozn. ČSN EN uvádí v Přílozee F (nformatvní) též obecný vztah platný jak pro odvodněné tak neodvodněné podmínky, avšak s trochu odlšným značenímm a bez specfkace příčnkového faktoru. (5) Pro výpočet příčnkového faktoru lze použít metody Janbu, Bjerrum, Kjaernsl (1956), vz též Vaníček (1982), když: pro studenty bylyy vytvořeny v rámc projektu: Inovace studjního oboru geotechnka fnancovaného z prostředků EU a státního rozpočtu ČR

9 Inovace studjního oboru Geotechnka 3, ,5 L - délka ol 50 2,0 D H B ,5 1,0 s = 1 0 ol B E U 5 2 L/B čtverec 0,5 kruh 0,0 0,1 0,2 0, H B 1,0 0,9 0,8 0 0,7 L/B ,1 0,2 0, D B Obr. 5. Hodnoty μ 0 a μ 1 pro výpočet počátečního sedání nasycených zemn (6) Prncp výpočtu sedání za využtí prncpu drah napětí vychází z následujících kroků Lambe a Whtman (1969), též Vaníček (1982): - ve středu vrstvček podzákladí se určí původní napjatost; - z těchto míst se odeberou vzorky zemn a v traxálním přístroj se rekonsoldují na stav původní napjatost - výpočtem (většnou za užtí aparátu teore pružnost) se spočte proo jednotlvé středy vrstvček přírůstek svslého vodorovnéh ho napětí, - stejným způsobem se zatěžuje vzorek v traxálu a měří se poměrné svsléé deformace, - změřené svslé poměrné deformace se přsoudí jednotlvým vrstvčkám v a tak se stanoví její svslá deformace a sumací potom deformace celého podzákladí. Pozn. Popsaný postup je shodný jak pro počáteční tak celkové c sedání; pro výpočet počátečního sedání se přírůstky napětí aplkují za neodvodněných podmínek, pro celkové sedání za odvodněných podmínek. Výpočet celkovéhoo (konsoldačního) sedání (1) Výpočet celkového (konsoldačního) sedání vychází ze 3 základních skupn metod: - z teore pružného poloprostoru pro studenty bylyy vytvořeny v rámc projektu: Inovace studjního oboru geotechnka fnancovaného z prostředků EU a státního rozpočtu ČR

10 Inovace studjního oboru Geotechnka - za uvažování jednoosé stlačtelnost elementů v podloží - metoda drah napětí za uvažováníí trojosé stlačtelnost elementů e podloží (2) Teore pružného poloprostoru vychází za základní Schlecherovy rovnce pro sedání pružného homogenního sotropního poloprostoru: S c = 1/E def. σ ol. B. α (1- ν 2 ) (4.33) Kde E def je modul deformace zjštěnýý za odvodněných podmínek v traxálním přístroj (nebo pomocí zatěžovací zkoušky deskouu n stu) α tvarový a tuhostní koefcent ν Possonovo číslo stanovené zaa odvodněných podmínek Pozn. ČSN ( ) využívala výše uvedenou rovnc v mírně upravené verz, rozšířené o opravné součntele m a m 1 ale sama upozorňovala, že vzorec dává zpravdla větší hodnoty sedání než je sedání skutečné s a proto ve verz z roku 1988 jž nebyla využta. (3) Ze sumačních metod vycházejících z 1D deformace elementu podzákladí ČSN upřednostňovala metodu uvažující vlv strukturní pevnost Havlíček H (1976). S ohledem na dosavadní zkušenost je tato metody upřednostňována před ostatním sumačním metodam, které se strukturní pevností neuvažují. Za uvažování strukturní pevnost je potom deformace elementu zemny o výšce z : Δ z = (ΔΔ σ z - m x σ or, ) x z / E oed, kde σ or,, je původní svslé efektvní napětí ve středu elementu ; Δ σ z je efektvní přtížení ve středu s tohoto elementu (ve středu vrstvy o mocnost z ); E oed, je edometrcký modul deformace platný pro tuto vrstvu o rozsah napětí M opravný součntel přtížení, který see pro -tou vrstvu stanoví v závslost na druhuu základové půdy podle Tab Potom celkové sedání s: s = Σ Δ z = Σ ( Δ σ z - m x σ or, ) x z / E oed, Výpočtový model sednutí pro řešení za uvažování strukturní pevnost, zobrazuje obr pro studenty bylyy vytvořeny v rámc projektu: Inovace studjního oboru geotechnka fnancovaného z prostředků EU a státního rozpočtu ČR

11 Inovace studjního oboru Geotechnka původní terén upravený základová spára ol h 1 h 2 hladna podzemní vody 03 např. m=0, 3 m=0, 3 or m or z hloubka deformační zónyy z z Obr. 6. Výpočtový model sedání pro 1DD deformac s uvažovánímm strukturní pevnost zemn. METODY VÝPOČTU SEDÁNÍ 1. modul deformace E def - s využtí opravnéhoo součntele působení základové půdy m m r ol s b 1 2 n 1 E z, def m E r oed, h m r (homogenní podmínky) (nehomogenní podmínky) 2. součntel stlačtelnost C- s n 1 h C ln z, h ef ef C ln h ef or, or, (homogenní podmínky) 3. teoree pružnost (ENV příloha D2) - ol b s f E m pro studenty bylyy vytvořeny v rámc projektu: Inovace studjního oboru geotechnka fnancovaného z prostředků EU a státního rozpočtu ČR

12 ol b 2 s 1 E 4. modul oedometrcký E oed V ds - výpočtové provozní zatížení Vds ds A ol - kontaktní napětí ol m Inovace studjního oboru Geotechnka ds ol b s 1 2 E ol d s E or m m 1 2 (úprava pro homogenní podloží) (úprava pro tuhýý kruhový základ) ( pro jednu omezenou o stlačtelnou vrstvu) z - svslé napětí n z s, m or, E 1 oed, h - konečné sednutí odpovídající 100% konsoldac m souč. strukturního oslabení; m or s - strukturní pevnost zemny Tab. 2. Hodnoty opravného součntele přtížení m Druh základové půdy Slně stlačtelné jemnozrnné zemny třídy F1 až F8 - s modulem přetvoření E < 4 MPa - nepřekonsoldované - konzstence měkké nebo tuhé Všechny tř znaky musí být splněny Násypy a jné sypanny, základové půdy dodatečně zatížené a dosud nezkonsoldované. Hornny tříd R1, R2; Zdravé druhohorní a třethorní sedmenty tříd R4,, R5. Jemnozrnné zemny tříd F1 až F8, jmž nenáleží součntel m = 0,1 an 0,4 an 0,5 Písky a štěrky tříd S1, S2, G1, G2 pod hladnou podzemní vody Hornny třídy R3 Písky a štěrky tříd S1, S2, G1, G2 nad hladnou podzemní vody Písky a štěrky hlnté, jílovté č s příměsí jemnozrnné zemny, tříd S3, S4, G3, G G4, G5 Hornny tříd R4, R5 - kromě zdravých druhohorních a třethorních sedmentůů Hornny tříd R6 (eluva) Spraše a sprašové hlíny nad hladnou podzemní vody, lze-l vyloučt jejch nasycení n vodouu m 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 pro studenty bylyy vytvořeny v rámc projektu: Inovace studjního oboru geotechnka fnancovaného z prostředků EU a státního rozpočtu ČR

13 Přetváření skeletu zemny 2 fáze: a) or z s b) z s Posouzení 2MS. s m s m, lm Časový průběh sedání s f t ( t) s t Inovace studjního oboru Geotechnka su konečné sednutí stupeň konsoldace Konsoldace: nasycený, homogenní, zatížený počátek u ; ef 0 : průběh: u 0; ef vzrůstá konec: Přetvoření způsobují pouze ef Výpočet sedání v obecném čase t (1) V obecné rovně platí, že celkové sedání sestává ze tří složek: s = s + t ; u 0; U s c + s s ef a stla čení h h E oed (2) Poslední složce s s sekundárnímu č creepovému sedáníí je třeba věnovat pozornost především organckým zemnám a měkkým jílům, ve kterých sedání s v důsledku creepu může pokračovat velm dlouho. V těchto případech se vychází z laboratorních zkoušek dlouhodobé stlačtelnost. V ostatních případech je možno tuto složku sedání zanedbat. (3) Výpočet sedání s t v čase t pro nasycené zemny za předpokladu 1 D deformace: s t = s c x U kde U je stupeň konsoldace za 1D podmínek (Terzaghho teore jednooséé konsoldace) Časový faktor (Terzagh): T pro studenty bylyy vytvořeny v rámc projektu: Inovace studjního oboru geotechnka fnancovaného z prostředků EU a státního rozpočtu ČR

14 Inovace studjního oboru Geotechnka Obr. 7. Vztah mez stupněm konsoldace U a časovým faktorem T Řešení Taylorovo: : Obr. 8. Prmární a sekundární konsoldace př oedometrcké é zkoušce stlačtelnost pro studenty bylyy vytvořeny v rámc projektu: Inovace studjního oboru geotechnka fnancovaného z prostředků EU a státního rozpočtu ČR

15 Inovace studjního oboru Geotechnka Prmární (hydraulcká) konsoldace Sekundární konsoldacee tvoří reologcké procesy rovnce prmární konsoldace ef t c v 2 ef z 2 (4) Výpočet sedání s t v čase t pro částečně nasycené zemny za předpokladu 1 D deformace, kde s je nenulové: s t = s + (s c - s ) x U Pozn. Jelkož rozdíl (s c - s ) je významný z pohledu dodatečných deformací po skončení s výstavby, nesmí se hodnota s oceněnáá na základěě laboratorních zkoušek přeceňovat. (5) Výpočet sedání s t v čase t pro nasycené zemny za předpokladu 3 D deformace: s t = s + s c x U kde U s je stupeň konsoldace za trojosýchh podmínek. U s Sekundární konsoldace Reologcké modely základních látek: 1)Hook 2)Sant-Venant 3)Newton Reologcké modely kombnací základníchh látek: 1)Maxwell 2)Kelvn 3)Bngham Boltzman-Volterraa dědčné dotvarování í teore je f v určtém čase lneární, tedy pro tedy: t působí t t a vyvolá deformac pro studenty bylyy vytvořeny v rámc projektu: Inovace studjního oboru geotechnka fnancovaného z prostředků EU a státního rozpočtu ČR

16 Inovace studjního oboru Geotechnka K t t t t rovnce dědčného creepu př růstu r napětíí t - t rovnce dědčného creepu př konstantním napětí - t t t K t E 0 1 E t t t K t dt 0 dt pro studenty bylyy vytvořeny v rámc projektu: Inovace studjního oboru geotechnka fnancovaného z prostředkků EU a státního rozpočtu ČR