Principy zakládání budov

Transkript

1 ČVUT v Praze Fakulta stavební PSA2 - POZEMNÍ STAVBY A2 (do roku 2015 název KP2) Principy zakládání budov doc. Ing. Jiří Pazderka, Ph.D. Katedra konstrukcí pozemních staveb Zpracováno v návaznosti na původní přednášky KP20 prof. Ing. Petra Hájka, CSc. 2015/16

2 Principy zakládání budov Úvod do problematiky

3 Základní terminologie Základová konstrukce Část nosné konstrukce budovy přenášející zatížení od stavby do základové půdy Základová půda Část geologického prostředí (zpravidla velmi nehomogenní), které spolupůsobí s konstrukcí budovy. Plošný základ Stavební prvek přenášející zatížení od budovy do základové půdy prostřednictvím horizontální základové spáry. Nepočítá se s přenášením zatížení třením na svislých částech základu. Hlubinný základ - pilota Vertikální základová konstrukce přenášející zatížení od stavby do hlubších vrstev základové půdy. Zatížení se přenáší opřením paty piloty nebo třením povrchu pláště o základovou půdu. Inženýrskogeologický průzkum Činnost, která poskytuje geologické a geotechnické podklady pro návrh založení stavby.

4 Základní terminologie Hornina Přírodní minerální asociace různého složení a struktury, které vznikly působením geologických procesů v podobě horninových těles vytvářejících zemskou kůru. Zemina Přirozená směs minerálních zrn různých frakcí vzniklých fyzikálním nebo chemickým rozpadem pevné skalní horniny. Nezpevněná nebo slabě zpevněná hornina Skalní hornina Dobře zpevněná hmota, která je zpravidla rozpukána na hranolovité bloky nebo vrstvy

5 Požadavky na základy a spodní stavbu Statická funkce a požadavky únosnost základu a základové půdy (mezní namáhání zeminy mezní stav únosnosti ) sedání budovy (mezní stav použitelnosti) statická interakce horní a spodní stavby (eliminace poruch od nerovnoměrného sedání) požadavky na založení budovy v tzv. nezámrzné hloubce Izolační funkce a požadavky způsob založení a konstrukce spodní stavby musí umožňovat aktivní ochranu proti podzemní vodě, zemní vlhkosti a radonu. Ekonomické požadavky - vliv na hospodárnost základové k-ce má především: typ zatížení na základ (excentricita, momenty, případné tahové namáhání) únosnost základové půdy stlačitelnost základové půdy rovnoměrnost / nerovnoměrnost základových poměrů pod objektem tuhost horní stavby objektu

6 Principy návrhu základových k-cí Rozhodující kritéria pro návrh základové konstrukce druh (únosnost a stlačitelnost) základové půdy velikost zatížení na základ charakter zatížení (excentricita, moment, případné tahové zatížení) úroveň nezámrzné hloubky pro dané základové poměry vliv interakce podloží x základ x horní stavba rovnoměrnost / nerovnoměrnost základových poměrů pod objektem okolní zástavba

7 Základní rozdělení základových k-cí Plošné základy budov základové patky základové pásy základové rošty základové desky a vany tenké desky Hlubinné základy budov piloty - maloprůměrové piloty (mikropiloty) - velkoprůměrové piloty základové studně (pilíře) milánské stěny

8 Principy zakládání budov Základové poměry

9 Inženýrsko-geologický průzkum Druhy IGP: předběžný, podrobný, provozní Inženýrskogeologický průzkum poskytuje geologické a geotechnické podklady pro návrh založení stavby (podle ČSN ): geologická stavba hydrogeologická charakteristika základové poměry posouzení vhodnosti staveniště zatřídění zemin a hornin únosnost a stlačitelnost základové půdy posouzení vhodné hloubky základové spáry vliv podzemní vody vhodnost použití zeminy z výkopu chemické složení vody výška hladiny podzemní vody směr proudění vliv navrhované stavby na sousední budovy

10 Geologické sondy Smyslem geologických sond je: získat neporušené vzorky podloží v jednotlivých úrovních potřebné pro laboratorní zkoušku stanovení fyzikálních a mechanických vlastností zeminy zjistit úroveň ustálené hladiny podzemní vody získat informace pro sestavení geologického profilu podloží: - stanovení mocnosti (tlošťky) jednotlivých vrstev - zjištění rovinatosti vrstev v rozsahu staveniště lokalizovat případné diskontinuity podloží (geologocké zlomy apod.) odběr vzorků pro analýzu chemického složení podzemní vody Geologické sondy: kopané (cca 1,2 x 1,5 m) - pouze pro menší hloubky vrtané (průměr vrtu mm)

11 Geologický profil podloží

12 Principy zakládání budov Návrh podle ČSN EN ,2

13 Navrhování podle GK - ČSN EN Při návrhu základových konstrukcí postupujeme podle tzv. geotechnických kategorií (GK) Příslušná GK se může ověřit a změnit, pokud je to nutné, v libovolném stádiu návrhu a procesu výstavby Geotechnické kategorie jsou podle ČSN EN ,2 - Eurokóku 7 definovány takto: 1. Geotechnická kategorie Má zahrnovat pouze malé a relativně jednoduché konstrukce: - pro které je možné zajistit, že základní požadavky jsou splněny na základě zkušenosti a kvalitativního geotechnického průzkumu - se zanedbatelným rizikem Postupy pro 1. GK se mají použít: - tam, kde je zanedbatelné riziko celkové stability nebo pohybů základové půdy - v základových poměrech, které jsou známé z dostatečně spolehlivé srovnatelné místní zkušenosti - tam, kde se neprovádí výkop pod hladinou podzemní vody

14 Navrhování podle GK - ČSN EN Geotechnická kategorie Má zahrnovat obvyklé typy konstrukcí a základů: - s běžným rizikem - v jednoduchých základových poměrech - s běžnými zatěžovacími podmínkami Návrhy konstrukcí podle 2.GK mají zpravidla zahrnovat kvantitativní geotechnické údaje a rozbory k ujištění, že jsou splněny základní požadavky Pro návrhy podle 2. GK se mají použít standardní postupy pro terénní a laboratorní zkoušky, jejich návrh a provádění. 3. Geotechnická kategorie Má zahrnovat konstrukce, nebo jejich části, které nespadají do 1. GK ani do 2. GK 3. GK má zahrnovat alternativní ustanovení a pravidla k těm, jež jsou v [2] 3. GK zahrnuje např.: velmi velké nebo neobvyklé konstrukce, konstrukce ve složitých základových poměrech, k-ce složitě zatížené, k-ce v seismických oblastech

15 Základová půda - ČSN EN ISO Třídy zemin podle velikosti frakce:

16 Základová půda - ČSN EN ISO Zásady zatřiďování zemin : Zemina není za mokra soudržná - velmi hrubozrnné (Bo, Co), většina zrn větších než 63 mm - hrubozrnné (Gr, Sa), většina zrn větších než 0,063 mm Zemina je za mokra soudržná - jemnozrnné (Si - nízká plasticita, Cl - plastické) Tmavá barva, nízká objemová hmotnost - organické (Or) Nepřírodní materiály - výsypky, sypaniny (Mg), znovuuložené přírodní materiály, umělé materiály

17 Posouzení sedání - ČSN EN Mezní hodnoty sednutí podle Eurokódu 7 Výpočet sedání pro plně nebo částečně nasycené zeminy zahrnuje: okamžité sedání (s o ) konsolidační sedání (s 1 ) creepové sedání (s 2 ) Mají se použít běžně uznávané metody pro vyhodnocení sedání Zvláštní pozornost je třeba věnovat organickým zeminám a měkkým jílům.

18 Principy zakládání budov Návrh podle ČSN

19 Navrhování podle GK - ČSN Podle ČSN se rozdělují stavební konstrukce budov podle statické náročnosti na: Nenáročné konstrukce Konstrukce, které nejsou citlivé na rozdíly v nerovnoměrném sedání a mají dostatečnou rezervu spolehlivosti v plastické oblasti přetvoření (rodinné domy, garáže, nízké obytné domy, nízké zemědělské a průmyslové stavby). Náročné konstrukce Ostatní konstrukce, především konstrukce výškových budov a staticky neurčité stavební konstrukce

20 Navrhování podle GK - ČSN Podle ČSN se rozdělují základové poměry pro umístění budov na: Jednoduché základové poměry Základová půda se v rozsahu stavebního objektu podstatně nemění, jednotlivé vrstvy mají přibližně stálou mocnost a jsou uloženy vodorovně nebo téměř vodorovně. Podzemní voda neovlivňuje uspořádání objektů a návrh jejich konstrukce. Složité základové poměry Základová půda se v rozsahu stavebního objektu místo od místa podstatně mění, nebo vrstvy mají proměnlivou nosnost a nebo jsou nepravidelně uložené. Podzemní voda se nepříznivě uplatňuje při návrhu objektů.

21 Navrhování podle GK - ČSN Únosnost základové půdy pro návrh konkrétní základové konstrukce se podle ČSN stanovuje v závislosti na příslušné geotechnické kategorii (1., 2., 3.). Vyšší geotechnická kategorie znamená vyšší přesnost návrhu základové konstrukce, resp. přesnější přiblížení ke skutečným základovým poměrům ve vztahu k charakteru základové konstrukce a působícímu zatížení. Pro předběžný výpočet se použije vždy nejprve I. geotechnická kategorie, pro definitivní návrh základové konstrukce je nutné zvolit zvolit příslušnou geotechnickou kategorii v závislosti na tabulce uvedené níže: Nenáročné konstrukce Náročné konstrukce Jednoduché základové poměry 1. geotechnická kategorie 2. geotechnická kategorie Složité základové poměry 2. geotechnická kategorie 3. geotechnická kategorie

22 Navrhování podle GK - ČSN Výpočet podle 1. geotechnické kategorie výpočtová únosnost základové půdy: určí se z tab z přílohy 6 ČSN zatížení: provozní (charakteristická) hodnota zatížení v základní kombinaci Výpočet podle 2. geotechnické kategorie výpočtová únosnost základové půdy: Určí se na základě směrných normových charakteristik základové půdy (hodnoty získané ze statistických rozborů zkoušek uskutečněných v rozsahu celé ČR) nebo místní normové charakteristiky základové půdy (hodnoty získané ze statistických rozborů zkoušek uskutečněných v rozsahu určité oblasti soustředěné výstavby). zatížení: extrémní (návrhová) hodnota zatížení v nejnepříznivější základní nebo mimořádné kombinaci

23 Navrhování podle GK - ČSN Výpočet podle 3. geotechnické kategorie výpočtová únosnost základové půdy: určí se na základě normových charakteristik základové půdy stanovené podle výsledků zkoušek uskutečněných při průzkumu staveniště zatížení: extrémní (návrhová) hodnota zatížení v nejnepříznivější základní nebo mimořádné kombinaci

24 Základová půda - ČSN Zeminy Třídy zemin podle ČSN : (F) - Jemnozrnné (konsolidují pomalu,rizikové) (S) Písčité (konsolidují rychle,vhodné) (G) Štěrkovité (konsolidují rychle,vhodné) Typy základových půd (zeminy): 2-fázový systém (S,G); pevná zrna, vzduch Při stanovení únosnosti počítáme s efektivními parametry, které mají vyšší hodnoty než totální parametry (smyk probíhá přímo mezi zrny). 3-fázový systém (F); pevná zrna, vzduch a voda Počítáme s totálními parametry, které jsou menší vlivem vody (voda nemá žádnou pevnost ve smyku) Skalní horniny (R) - skalní masív, jedná se diskontinuum na rozdíl od zeminy, kterou lze považovat za kontinuum

25 Základová půda - ČSN Fyzikální charakteristiky základových půd pevnostní charakteristiky: pevnost v tlaku R dt [MPa] deformační charakteristiky: modul přetvárnosti E def [MPa] Poissonovo číslo ν [1] mez tekutosti w L [%] u jemnozrných zemin objemová tíha: -γ [kn/m 3 ] (zeminy kn/m 3 ) úhel vnitřního tření zeminy: ϕ [ ] namrzavost: hloubka založení Zrnitostní složení zemin: balvanitá složka > 200 mm kamenitá složka mm štěrková složka 2 60 mm písčitá složka 0,06 2 mm prachová složka 0,002 0,06 mm jílová složka < mm

26 Klasifikace základových půd Zeminy podle ČSN : F - zeminy jemnozrnné (C jíly, M hlíny) F1 hlína štěrkovitá MG F2 jíl štěrkovitý CG F3 hlína písčitá MS F4 jíl písčitý CS F5 hlína s nízkou (ML) a střední (MI) plasticitou F6 jíl s nízkou (CL) a střední (CI) plasticitou F7 hlína s vysokou (MH), velmi vysokou (MV) a extrémně vysokou (ME) plasticitou F8 jíl s vysokou (CH), velmi vysokou (CV) a extrémně vysokou (CE) plasticitou

27 Klasifikace základových půd Tabulkové výpočtové únosnosti základových půd podle ČSN : Používají se při návrhu základů podle zásad 1. geotechnické kategorie Hodnoty tabulkové výpočtové únosnosti R dt [kpa] zemin jemnozrnných (F) při hloubce založení 0,8 až 1,5 m pro šířku základu 3 m

28 Klasifikace základových půd S - zeminy písčité (S písek) S1 písek dobře zrněný SW S2 písek špatně zrněný SP S3 písek s příměsí jemnozrnné zeminy S-F S4 písek hlinitý SM S5 písek jílovitý SC G - zeminy štěrkovité (G štěrk) G1 štěrk dobře zrněný GW G2 štěrk špatně zrněný GP G3 štěrk s příměsí jemnozrnné zeminy G-F G4 štěrk hlinitý GM G5 štěrk jílovitý GC

29 Klasifikace základových půd Hodnoty tabulkové výpočtové únosnosti R dt [kpa] zemin písčitých (S) při hloubce založení 1 m Poznámka: Pro třídu S1 až S3 platí hodnoty pro zeminy ulehlé. Pro zeminy středně ulehlé se hodnoty násobí součinitelem 0,65. Pro třídy S4 a S5 platí hodnoty pro konzistenci tuhou až pevnou.

30 Klasifikace základových půd Hodnoty tabulkové výpočtové únosnosti R dt [kpa] zemin štěrkovitých (G) při hloubce založení 1 m Poznámka: Pro třídu G1 až G3 platí hodnoty pro zeminy ulehlé. Pro zeminy středně ulehlé se hodnoty násobí součinitelem 0,65. Pro třídy G4 a G5 platí hodnoty pro konzistenci tuhou až pevnou.

31 Klasifikace základových půd Zvláštní zeminy: O - organické zeminy T - prosedavé zeminy (spraše) U - jiné zvláštní zeminy Skalní horniny: R - skalní horniny (třídy R1 R6): podle pevnosti a stupně zvětrání horninového materiálu

32 Klasifikace základových půd Hodnoty tabulkové výpočtové únosnosti R dt [kpa] skalního masivu (R) Poznámka: Tabulkové hodnoty R dt u tříd R1 až R4 jsou použitelné u skalních masívů se sevřenými diskontinuitami bez jílovité výplně. V opačném případě je nutný individuální postup.

33 Hloubka založení budov Stanovení minimální hloubky založení budov: Hlavní hledisko: eliminace promrzání zeminy pod základovou sparou u definitivních staveb založených na zeminách pod zámrznou hloubkou: 0,8 až 1,2 m, ale min. 0,8 m u základů provizorních konstrukcí a u základů prokazatelně chráněných proti promrzání min. 0,4 m u jemnozrnných zemin (soudržných) je třeba zpravidla volit hloubku větší u jemnozrnných F6, F7 mohou-li vysychat u vnitřních základů lze hloubku založení zmenšit až na min. 1,0 m min. 1,6 m min. 0,5 m V případech vysoké hladiny podzemní vody (výše než 2,0 m pod povrchem) se volí hloubka založení větší.

34 Posouzení sedání - ČSN Mezní stav přetvoření - sedání pro 1. geotechnickou kategorii se mezní stav přetvoření neposuzuje pro 2. geotechnickou kategorii se pro výpočet sednutí používají tabulkové hodnoty směrných normových charakteristik přetvárných vlastností základové půdy pro 3. geotechnickou kategorii se pro výpočet sednutí používají normové hodnoty přetvárných charakteristik zjištěné průzkumem

35 Distribuce zatížení v základové půdě

36 Posouzení únosnosti plošného základu Výpočtový předpoklad rozložení kontaktního napětí v základové spáře 1. Mezní stav: σ de = V de / A ef Centrické zatížení: Excentrické zatížení:

37 Příčiny poruch základových konstrukcí Nedostatečná únosnost základové půdy chybný geotechnický průzkum (např. nedostatečně hluboké sondy, zanedbání periodického kolísání hladiny podzemní vody, apod.) Rozdílný charakter základové půdy v rozsahu stavby různé druhy základové půdy v rozsahu půdorysu lokální diskontinuity podloží např. čočka tekutého písku zasypané koryto původní vodoteče geologický zlom Nepředpokládané změny základových poměrů extrémní zvýšení úrovně hladiny podzemní vody, např. vlivem dlouhodobých srážek nebo povodní (snížení únosnosti zákl. půdy) změny hydrogeologických poměrů vlivem nové zástavby v okolí snížení okolního terénu podmrzání základové spáry

38 Příčiny poruch základových konstrukcí Podcenění vlivu okolních staveb přitížení základové půdy přilehlým objektem otřesy ze stavební činnosti např. ražba tunelu otřesy základové půdy vlivem dopravy (metro, blízká silnice) sesuvy půdy v poddolovaných oblastech Chybný návrh základových konstrukcí poddimenzování základových konstrukcí (rozměry, počet pilot, apod.) navržení nevhodného druhu základové konstrukce nedosažení únosného podloží (opřené piloty, mikropiloty) rozdílná hloubka plošného založení v rámci jednoho objektu Změna využívání stavby zvýšení zatížení oproti původnímu návrhu (např. nástavba objektu) Vliv charakteru okolních ploch (difúzně uzavřené plochy, vegetace)

39 Příčiny poruch základových konstrukcí

40 Příčiny poruch základových konstrukcí

41 Příčiny poruch základových konstrukcí

42 Děkuji za pozornost Literatura použitá v prezentaci: [1] Hájek P.: Přednášky KP20, ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Praha 2004 [2] ČSN EN ,2 Eurokód 7: Navrhování geotechnických konstrukcí, ÚNMZ, 2006 [3] ČSN EN ISO ,2 Geotechnický průzkum a zkoušení, ÚNMZ, 2003 [4] ČSN , Zakládání staveb, Základová půda pod plošnými základy, ÚNMZ