Grodzice winylowe są profilami przeznaczonymi, podobnie jak grodzice stalowe, do budowy pionowych ścianek szczelnych. Zasada łączenia opiera się zakończeniach typu wpust/wypust umieszczonych po przeciwnych stronach przekroju profilu. Tworzą one szczelny zamek umożliwiający, poprzez łączenie kolejnych profili, tworzenie zwartych, liniowych przegród o wysokości nawet do 10 m.
Surowcem do produkcji grodzic są przemiały modyfikowanego, twardego polichlorku winylu o zwiększonej udarności i podwyższonej odporności na starzenie, jak również na promieniowanie UV. Materiał, z którego wytwarzane są grodzice jest bardzo podobny do mieszanek stosowanych w produkcji profili okiennych lub sidingu. Pozwala to na długotrwałe użytkowanie grodzic zarówno w zastosowaniach zakrytych (np. przegrody przeciwfiltracyjne), jak i narażonych na warunki zewnętrzne (np. pionowe konstrukcje oporowe).
Rys. 1. Typowa ścianka z grodzic winylowych [3]
Grodzice winylowe mogą być w niektórych zastosowaniach alternatywą dla stalowych. Aby jednak poprawnie stosować te elementy konstrukcyjne należy mieć świadomość fundamentalnych różnic pomiędzy materiałami. Stal ma wielokrotnie większą wytrzymałość mechaniczną od PVC. Jest zdecydowanie najmocniejszym materiałem stosowanym do produkcji ścianek szczelnych i nie ma w tym zakresie konkurencji, gdy mamy do czynienia z bardzo wysokimi naprężeniami. W porównaniu do modyfikowanego polichlorku winylu, materiały tradycyjnie stosowane do budowy ścianek szczelnych są znacznie mniej trwałe w użytkowaniu. Czynniki środowiskowe, takie jak: działanie wody, wiatru, czynników biologicznych i promieniowania słonecznego, a zwłaszcza promieniowania UV są przyczyną starzenia naturalnego, a wszelkiego rodzaju zanieczyszczenia trafiające do wody i gruntu znacząco przyspieszają degradację i destrukcję tradycyjnych materiałów. Drewno pod wpływem mikroorganizmów, grzybów i pleśni szybko ulega procesom gnilnym. Korozja stali powoduje ubytki materiału od 0,015 do 0,035 mm/rok na jedną stronę profilu. Jej negatywne skutki są powszechnie znane i nie wymagają szerszego omawiania, a regularne konserwacje znacznie podnoszą koszty eksploatacji. Elementy zbrojenia żelbetu podlegają, a beton w środowiskach agresywnych ulega przyspieszonej degradacji. W silnie agresywnym środowisku wody morskiej, żywotność drewna i stali wynosi zaledwie od 10 do 20 lat, a betonu od 20 do 30 lat. Polichlorek winylu w tych, lub nawet trudniejszych warunkach starzeje się znacznie wolniej, a jego żywotność wynosi co najmniej 50 lat. Zachowuje przy tym wysoką estetykę.
Grodzice winylowe jako konstrukcje oporowe
Funkcja konstrukcji oporowej zasadniczo różni się od funkcji separacyjnej. W przypadku pierwszej ścianka musi spełniać wymagania stanu granicznego nośności i użytkowalności. Oznacza to zachowanie stateczności lokalnej i globalnej oraz ograniczenie przemieszczeń do wartości tolerowanych.
Rys. 2. Ścianka winylowa w funkcji separacyjnej i jako konstrukcja oporowa [2]
Metody projektowe stosowane do grodzic winylowych nie różnią się od tych stosowanych dla grodzic stalowych. Oddziaływania i współpraca z gruntem w obydwu przypadkach jest taka sama. Inny jest materiał, a co ważniejsze cechy fizyczne i mechaniczne. Podstawowymi parametrami różniącymi obydwa materiały w zastosowaniach w konstrukcjach oporowych są: ok. 10-krotna różnica wytrzymałości i ok. 100-krotna różnica sztywności na korzyść stali. Dodatkowo efekty reologiczne PVC obniżają długoterminową sztywność tego materiału nawet trzykrotnie.
Rys. 3. Ścianka winylowa w funkcji separacyjnej i konstrukcji oporowej [2]
Rys. 4. Typowe wartości parametrów fizyko-mechanicznych grodzic winylowych [1]
W przypadku projektowania grodzic stalowych z reguły w pierwszej kolejności występuje wyczerpanie nośności przekroju, a dopiero w drugiej kolejności występuje ponaddopuszczalne przemieszczenie ścianki. Stąd podstawowymi warunkami są stany graniczne nośności. W przypadku grodzic winylowych występuje sytuacja odwrotna. Bardzo mała sztywność PVC powoduje, że uzyskane przemieszczenia tych grodzic przekraczają dopuszczalne przy niewielkim wykorzystaniu nośności przekroju. W efekcie takie grodzice powinny być projektowane w pierwszej kolejności na SGU. Oczywiście SGN należy również sprawdzić. Wymaga to od projektanta znacznie większej wiedzy, doświadczenia oraz umiejętności posługiwania się bardziej zaawansowanymi narzędziami projektowymi, w konsekwencji także zastosowania większych współczynników bezpieczeństwa.
W analizie współpracy konstrukcji oporowej wykonanej z grodzic winylowych uwzględnić należy także problem wpływu czasu, w szczególności fakt nawet trzykrotnej redukcji modułu odkształcenia przy obciążeniach długotrwałych, które w takich zastosowaniach dominują.
>>> Ścianki szczelne – wykorzystanie w warunkach miejskich
>>> Stalowe ścianki szczelne – oryginalne zastosowania
Analiza błędów projektowych dwóch przypadków
Analiza przypadku uszkodzenia dwóch ścian oporowych, wykonanych z grodzic winylowych, posłuży za przykład błędnego zaprojektowania tych konstrukcji. Na efekt w postaci ponaddopuszczalnego wychylenia się ścianek (rys. 5 i 6) wpływ miało nałożenie się kilku różnych błędów projektowych. Jednym z nich była niewłaściwa interpretacja warunków gruntowo-wodnych (rys. 7).
Rys. 5. Wychylenie ścianki 1
Rys. 6. Wychylenie ścianki 2
Rys. 7. Warunki gruntowo-wodne – ścianka 1
Projektant założył istnienie wody naporowej nie uwzględniając drugiego swobodnego zwierciadła na głębokości 0,3 m. Spowodowało to ok. 50-procentowe niedoszacowanie obciążenia poziomego działającego na ściankę.
Drugim błędem było zastosowanie w obliczeniach zbyt wysokiego modułu odkształcenia (krótkoterminowego). W przypadku, kiedy ścianka jest permanentnie obciążona parciem szkieletu gruntowego oraz wody, wówczas takie przyjęcie powoduje co najmniej kilkukrotne niedoszacowanie przemieszczeń poziomych.
Rys. 8. Przyjęcie modelu obliczeniowego
W obliczeniach projektant zastosował rodzaj idealnie sprężysto-plastycznego modelu Winklera. Przy czym klin podtrzymujący zinterpretowany został jako pełne podparcie. Założenie to zostało zweryfikowane przez autora obliczeniami metodą elementów skończonych. Wykazały one, że klin stanowi tylko niewielki opór dla napierającej grodzicy i nie powinien być brany pod uwagę w obliczeniach opartych na uproszczonych metodach analiz, a wykorzystany jedynie jako dodatkowy zapas bezpieczeństwa. Wydaje się, że bezpiecznym rozwiązaniem jest także uwzględnienie co najwyżej 1/3 wysokości klina.
Projektowanie grodzic winylowych – wnioski
Analiza przypadku nadmiernych wychyleń dwóch ścianek z grodzic winylowych pokazuje, że projektowanie tego typu elementów konstrukcyjnych jest trudne i nie może być oparte na doświadczeniach z projektowania ścianek z grodzic stalowych. Analogie kończą się na podobnym kształtowaniu przekrojów. Obydwa materiały cechują zupełnie inne cechy fizyko-mechaniczne. Inne są także własności reologiczne. Powoduje to, że grodzice winylowe nie powinny być stosowane w warunkach dużych obciążeń poziomych. A nawet niewielkie wysokości tych ścianek przy obecności swobodnego zwierciadła wód gruntowych powodować mogą nadmierne wychylenia.
Proces projektowania grodzic winylowych powinien skupiać się na stanie granicznym przemieszczeń, a używane metody obliczeń powinny być dostosowane do specyfiki tych elementów, a więc być bardziej dokładne w przewidywaniu przemieszczeń i uwzględniać cechy reologiczne materiału PVC.
Bibliografia
[1] Różalski M.: Grodzice winylowe GWS 300 x 115 x 5,5 mm. Przegląd Budowlany, 10, 2006.
[2] Rychlewski P.: Grodzice (ścianki szczelne) w budownictwie. Inżynier budownictwa. 06, 2015.
[3] Bugajny R.: Geoflex – grodzice z PCV. Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne. Maj-Czerwiec 2006.
Dr inż. Rafał Uliniarz
Katedra Geotechniki i Dróg
Politechnika Śląska
>>> Nietypowe metody posadowienia rurociągów
>>> Wpływ materii organicznej na parametry gruntów
