Prawidłowy dobór szalunków – cz. II

Pokazany na Rys. 1. Konstrukcje słupowe OWS różnią się od BOKSU odmiennym modelem obliczeniowym. W boksach, dwie płyty i cztery rozpory stanowią wyodrębniony model obliczeniowy, który w oparciu o dane geometryczne przekrojów płyty i wysokość dolnej rozpory od dna wykopu, umożliwia wyliczenie walcowej strzałki ugięcia płyty i strzałki ugięcia wspornikowego oraz sił ściskających dolne rozpory.

Model obliczeniowy OWS jest zupełnie inny. OWS składa się z kilku pól. Każde pole w liniowej zabudowie, poza polem pierwszym i ostatnim, składa się z dwóch par słupów połączonych rozporami oraz z płyt płetwowych wsuniętych płetwami w prowadnice słupów. Ilość płyt liczonych w pionie zależy od wymaganej głębokości wykopu. Każdy słup „zbiera” w prowadnicach obciążenia z powierzchni połówek płyt z lewej i prawej strony słupa, czyli z powierzchni równej iloczynowi podziałki słupów i głębokości wykopu.

 

 

 

Konstrukcja płyt do OWS, dzięki masywnym płetwom na krawędziach pionowych oraz dzięki odpowiedniej grubości płyty dostosowanej do katalogowej wytrzymałości, zapewnia wymaganą nośność płyty w każdej sytuacji użytkowej.

Słup jest belką dwuwspornikową, podpartą na rolkach osadzonych na sworzniach przechodzących przez końce rozpory. Konstrukcja połączenia dwóch słupów z rozporą umożliwia zmianę wzajemnego usytuowania rozpory w stosunku do każdego ze słupów. Takie rozwiązanie, uzupełnione możliwością blokady rozpory względem słupów, podyktowane zostało koniecznością przemiennego, krokowego zapuszczania słupów podczas zagłębiania obudowy. Rozwiązanie to ułatwia także wyciąganie obudowy z wykopu. Ponadto daje możliwość zwiększenia prześwitu między rozporą a dnem wykopu – oczywiście kosztem zmniejszenia dopuszczalnego nacisku gruntu. Zwiększenie prześwitu powoduje bowiem zwiększenie momentu obliczeniowego M_ed.

Wielkość momentu obliczeniowego M_Ed jaki jest przyjmowany przy konstruowaniu zależy od:

 

Model obliczeniowy słupów opiera się na schemacie statycznym belki dwuwspornikowej. Obciążenie belki może być rozpatrywane dwojako:

– albo jako q [kN/m] obciążenie liniowe ciągłe równomiernie rozłożone na całej długości słupa,

– albo jako obciążenie punktowe, siłami skupionymi P₁, P₂, P₃ [kN] …. wynikającymi z nacisku poszczególnych warstw gruntu.

W obu przypadkach o wielkości obciążenia decyduje nacisk obliczeniowy e_ar [kN/m²].

Nacisk obliczeniowy e_ar [kN/m²] zgodnie z PN-EN 13331 – 1:2004 jest to składowa pozioma nacisku konkretnego gruntu na określonym poziomie wykopu e_a w [kN/m²] (zwana niekiedy naciskiem doraźnym lub lepiej, za niemieckim tłumaczeniem, zwana naciskiem charakterystycznym gruntu) pomnożona przez cząstkowy współczynnik bezpieczeństwa γ_F odnoszący się do oddziaływania gruntu.

Składowa pozioma parcia gruntu e_a wyliczona jest na podstawie parametrów gruntu, takich jak: głębokość położenia spągu danej warstwy, kąt tarcia wewnętrznego Φ, ciężar właściwy γ, spójność gruntu c_u, nacisk naziomu q_n i nacisk górnych warstw na strop danej warstwy.

γ_M – cząstkowy współczynnik bezpieczeństwa odnoszący się do oddziaływania gruntu

Co oznacza, że nacisk obliczeniowy

e_ar = e_a   x   γ_M 

 

Parcie wypadkowe E_ar [kN/mb] poszczególnych warstw odnoszące się do 1 mb długości szalunku obliczane jest, jako iloczyn e_ar x grubość zdefiniowanej warstwy gruntu g [m]

E_ar = e_ar x g [kN/mb]

Mając wyliczone E_ar [kN/mb] dla każdej warstwy gruntu w kolejności od naziomu do dna wykopu, wystarczy pomnożyć te wielkości przez podziałkę słupów aby otrzymać potrzebne do obliczenia belki, punktowe obciążenie belki przez siły skupione: P₁, P₂, P₃ [kN] …. wynikające z nacisku kolejnych warstw gruntu.

 

 

Projektowanie pierwszych i kolejnych typów OWS było podejmowane na podstawie prognoz marketingowych. Na początku nie było projektów dla konkretnego klienta. Brakowało, więc parametrów geotechnicznych gruntu dla rzeczywistego wielowarstwowego podłoża na konkretnym placu budowy. Aby określić nacisk obliczeniowy dla projektowanej głębokości wykopu, dobierano kilka rodzajów gruntów spoistych w stanie plastycznym i gruntów niespoistych w stanie luźnym i obliczano dla nich nacisk obliczeniowy na maksymalnej głębokości.

Tak wyznaczony nacisk obliczeniowy e_ar służył do wymiarowania poszczególnych elementów konstrukcyjnych obudowy OWS przy założeniu, że jest on równomiernie rozłożony na całej wysokości i długości wykopu.

Przykładowo, dla OWS-7A zakładając, że słup jest belką dwuwspornikową równomiernie obciążoną na całej długości, wyliczono dla różnych gruntów składową poziomą nacisku gruntu na głębokości 6,3 m. Wybierając trudniejszy grunt obliczono, że obciążenie obliczeniowe wynosi przykładowo e_ar= 50 kN/m². Przyjmując, że jest ono równomiernie rozłożone na całej wysokości słupa wynoszącej 6,3 m, a podziałka słupów jest 4,0 m to przy długości wspornika a = 2,55 m można obliczyć maksymalny moment obliczeniowy, który wynosi dla tego przypadku M_Ed = 650,25 kNm.

 

Spełnienie warunku nośności wymaga, aby obciążenie obliczeniowe słupa jako belki, wyrażone jako maksymalny moment obliczeniowy M_{ed max} [kNm] było mniejsze od nośności granicznej M_c,Rd [kNm] w przekroju niebezpiecznym.

Nośność graniczna M_c,Rd wynika z charakterystyki geometrycznej przekrojów słupa oraz z właściwości zastosowanej stali.

Odnośnie wytrzymałości poszczególnych typów obudowy OWS podanej w katalogu, wytrzymałość ta jest równa naciskowi obliczeniowemu gruntu e_ar w najniższym punkcie planowanego wykopu.

Odnośnie długości wspornika przyjmowanego przy konstruowaniu słupa pod określoną wytrzymałość, przyjmuje się, że rozpora znajduje się w najniższym położeniu. W ten sposób powstał typoszereg szalunków OWS stopniowo rozszerzany w miarę pojawiania specjalnych potrzeb klientów.

W TABLICY NR 1. podano właściwości, czyli specyfikacje techniczne niektórych wybranych typów z tego typoszeregu

 

TABLICA NR 1

Porównanie właściwości wytrzymałościowych słupów kilku stosowanych do kilku typów obudów typu OWS wybranych z KATALOGU WYROBÓW

Lp	Oznaczenie typu liniowej obudowy wykopów konstrukcji słupowej	Długość słupa/ max głębokość   [m]	Typ słupa wg ilości prowadnic	Wytrzymałość czyli dopuszczalny nacisk obliczeniowy ear kN/m2	Charakterystyka geometryczna przekroju słupa   Wx [cm3]	Długość wspornika a [m]	Obciążenie obliczeniowe od ear    Med [kNm]	Nośność wspornikowa słupa   McRd [kNm]
1	OWS-3	3,0 / 2,4	Jednoprowa- dnicowy	36	439,4	0,78	40	94
2	OWS-4	3,0 / 3,7	Jednoprowa- dnicowy	25*	439,4	1,48	93	938
3	OWS-40	4,0 / 4,8	Dwuprowa- dnicowy	40	2531	2,23	397	540
4	OWS-5AN	4,0 / 4,8	Dwuprowa- dnicowy	50	3604	2,33	542	769
5	OWS-6	5,5 / 6,1	Dwuprowa- dnicowy	50	3604	2,13	453	769
6	OWS-7A	6,0 / 6,3	Dwuprowa- dnicowy	50	3604	2,55	650	769
7	OWS-8	6,0/7,4	Dwuprowa- dnicowy	50	3604	2,75	756	769

 

 

Jak widać katalogowa wytrzymałość OWS jest zróżnicowana.

W tablicy tej podaję także wymaganą nośność obliczeniową słupów obudowy, obliczoną jako moment wspornikowy M_Ed od obciążenia liniowego q równomiernie rozłożonego na całej długości słupa. Nośność obliczeniowa odnosi się do q wyliczonego z katalogowego, obliczeniowego dopuszczalnego nacisku gruntu e_ar równomiernie rozłożonego na całej długości i głębokości wykopu.

Kiedy więc mowa jest o wytrzymałości katalogowej, to należy rozumieć, że jest to dopuszczalny nacisk obliczeniowy gruntu e_ar przyjęty w obliczeniach konstrukcyjnych.

 

W miarę rozpowszechniania użytkowania (sprzedaż oraz wynajem) obudów liniowych o konstrukcji słupowej, moja firma wzbogacała swoje doświadczenia w zakresie wykopów głębokich. W mojej firmie marketingiem kieruje inżynier z wieloletnim doświadczeniem przy praktycznym wykonywaniu wykopów w szalunkach firmy KOPRAS. Tym samym potencjalni użytkownicy obudów wykopów od pierwszego kontaktu z firmą KOPRAS mają możliwość szczegółowego zaprezentowania swoich potrzeb i uzyskania doradztwa technicznego, co ułatwia dokonanie optymalnego wyboru typu OWS i precyzyjne dobranie typu obudowy oczywiście, aby doradztwo techniczne mogło być precyzyjne, nie wystarczy podanie wymaganej głębokości wykopu.

Aby dobrać optymalny typ obudowy OWS potrzebne jest, poza głębokością i szerokością wykopu, ustalenie rodzaju i stanu gruntów poszczególnych formacji gruntu o zróżnicowanej genezie. Praktyka pokazuje, że najczęściej, pod warstwami nasypów, mamy do czynienia z kilkoma warstwami gruntów w dwóch lub trzech formacjach.

 

W roku bieżącym, miało miejsce nieprawidłowe użycie BOKSU 3,0 m x 2,0 m przy budowie odcinka kolektora sanitarnego w Poznaniu na głębokości około 4,5 m w w gruntach określonych przez użytkownika jako „ciężkie”. W rezultacie pod naporem gruntu nastąpiło powolne ugięcie wspornikowe płyty boksu, powodując trwale ugięcie noża jednej płyty o 200 mm. Wg obserwacji użytkownika proces uginania wspornikowego trwał kilkanaście minut.

W związku z powyższym poleciłem przeprowadzić, zgodnie z systemem jakości, działania zapobiegawcze wg ustalonego planu. Plan ten obejmował między innymi, badanie podłoża na budowie wspomnianego odcinka kolektora. Badania wykonała firma HEBO posiadająca certyfikat Polskiego Komitetu Geotechniki. 

Wyniki badań firmy HEBO pozwoliły na obliczenie parcia gruntu we wszystkich warstwach. Na podstawie tych wyników, obliczono siły skupione działające w poszczególnych warstwach gruntu. Ekspertyza specjalistów z HEBO wyrażona we wnioskach w Opracowaniu nr 398/09 mówi: „przyczyną utraty stateczności szalowania [BOKSU 3,0 m x 2,0 m przypis M. K] w tych warunkach gruntowych nie była mała sztywność szalowania lub wadliwość tego systemu. Zasadniczą przyczyną awarii było przyjęcie nieodpowiedniego systemu zabezpieczenia. Właściwym systemem szalowania, dla istniejących w podłożu warunków gruntowych, było szalowanie pionowe, wykonane z wyprasek stalowych lub profili ścianki szczelnej” (koniec cytatu).

 

Badania wykazały, że budowa podłoża do głębokości 7,0 m składa się z trzech formacji gruntów o zróżnicowanej genezie. Grunty te występują poniżej warstwy nasypów, które zalegają lokalnie do głębokości 1,5 m. Nasypy wspierają się na stropie osadów zastoiskowych. Osady zastoiskowe reprezentowane są przez pyły, pyły piaszczyste z domieszkami lub przewarstwieniami namułów lub torfów. Warstwa ta sięga głębokości 3,5 m i wspiera się na stropie piasków pochodzenia rzecznego, z głębiej piasków wodnolodowcowych. Wartość stopnia plastyczności tych gruntów wyznaczono z charakterystyk penetracji. Pod nasypami występują namuły organiczne przewarstwione torfami. Piaski rzeczne i wodnolodowcowe wspierają się na głęboko rozmytym podłożu iłów pstrych plioceńskich. Jest to tzw. formacja iłów poznańskich, która zawiera przewarstwienia glinami pylastymi zwięzłymi. Piaski są w stanie średnio zagęszczonymi i zagęszczonym. Stan konsystencji iłów jest twardoplastyczny a zmienność plastyczności iłów obejmuje przedział od 0,08 do 0,25.

Warunki wodne o ustalonym zwierciadle. Wody powierzchniowe stwierdzono w osadach zastoiskowych. Poziom tych wód mieści się w przedziale od 1,0 m do 2,0 m poniżej powierzchni terenu. Wody o swobodnym lub napiętym zwierciadle występują w strefach piasków, bezpośrednio pod spągiem osadów zastoiskowych. Osady zastoiskowe są generalnie normalnie konsolidowane. Wykazane efekty prekonsolidacji są wynikiem działań inżynierskich i wynikiem sezonowych wahań poziomu wody gruntowej.

Na podstawie wyników tych badań wykorzystano parametry wytrzymałościowe poszczególnych warstw do obliczeń stateczności szalowania. Kolejno dla każdej warstwy przekroju w Poznaniu obliczono nacisk charakterystyczny, nacisk obliczeniowy, parcie jednostkowe i na koniec siłę skupioną działającą na słup na poziomie środka każdej warstwy gruntu. Na tej podstawie sporządzono wykres momentów obliczeniowych M_Ed działających na słup obudowy typu OWS-7A od góry do dołu.

 

Ponieważ, coraz częściej klienci dostarczają nam uproszczoną lub bardziej dokładną dokumentację geodezyjną dotyczącą planowanych wykopów, poleciłem, aby dla znanych profili gruntu, podobnie jak dla profilu na sieci sanitarne w Poznaniu, wykonać wykresy momentów gnących wywołanych w słupie OWS-7A przez siły skupione od nacisku gruntu. Na tej podstawie opracowano TABELĘ NR 2 oraz Rys. 2, na którym WYKRESY NR1, NR 2, NR 3, NR 4 i NR 5 pokazują przebieg momentu obliczeniowego w słupie OWS-7A od naporu poszczególnych rodzajów gruntów.

 

 

Wyniki dla WYKRESÓW NR 1; 2; 3; 4; 5 przedstawione są na Rys. 2 pt. „Wartość momentu obliczeniowego M_ed [kNm]” udowadniają, że WYKRES NR 1 wykreślona na podstawie wytrzymałości katalogowej daje największy moment obliczeniowy. Pozostałe krzywe wyprowadzone z konkretnych, niekiedy bardzo trudnych gruntów pokazują mniejszy moment obliczeniowy. Oznacza to, że przy doborze obudowy wykopów OWS do wymaganej głębokości jest zalecanie wykonanie aktualnej dokumentacji geologicznej dotyczącej planowanego placu budowy. Jak pokazuje, bowiem analiza w/w krzywych, wymagana wytrzymałość wynikająca z głębokości i z właściwości konkretnego gruntu, często bywa mniejsza niż wytrzymałość katalogowa wstępnie wybranego OWS dla określonej budowy. Pełna informacja o gruntach pozwoli na zastosowanie lżejszych a więc tańszych typów obudów. Przy dużych przedsięwzięciach w „przyjaznych” gruntach, oferuję projektowanie lżejszych, tańszych OWS wg danych geologicznych klienta.

 

TABLICA NR 2. Dane do obliczenia momentu obliczeniowego M _Ed i wykreślenia przebiegu tego momentu wzdłuż wysokości słupa dla pięciu placów budowy na tej samej głębokości gruntu zaprezentowanych przez krzywe NR 1; 2; 3; 4; 5

 

Dotyczy rysunku	poziom [m]	Długość wspornika a [m]	Rodzaj gruntu	Opis domieszek	ID	IL	Φ [o]	cu kPa	Prześwit minim hcc	ear kN/m2	Med kNm
WYKRES NR 1                      ( NA RYSUNKU NR 2)
NR 1	3,8	2,6	Jednorodna warstwa o wysokości 6,3 m	Ps	0,9	–	36	–	3,2	50	650
WYKRES NR 2                       (NA RYSUNKU NR 2)
NR 2	0,4	2,6	Nasyp niekontrolowany Piasek średni/piasek drobny	nN PS/Pd, H, B	0,5	–	33,8	–	3,2	6,88	0
NR 2	1,1	2,6	Nasyp niekontrolowany Piasek drobny, piasek gruby + humus	{Pd+Pg,H}	0,25	–	30,3	–	3,2	14,00	25
NR 2	1,9	2,6	Pył piaszczysty/ Namuł gliniasty, Piasek średni	Pi/Nmg, PS	–	0,55	22,5	6	3,2	16,5	65
NR 2	2,5	2,6	Namuł gliniasty/ Torf	Nmg/ T	–	0,54	10,8	2	3,2	49,4	125
NR 2	3,2	2,6	Piasek + piasek gruby, żwir, kamień	PS+Pr, Z, K	0,85	–	36,5	–	3,2	25,0	292
NR 2	3,8	2,6	Piasek + piasek gruby, żwir, kamień	Ps+Pr,Z, K	0,85	–	36,5	–	3,2	32,8	468
NR 2	4,6	2,6	Piasek średni, Piasek gruby, żwir	PS, Pr, Ż	0,6	–	34,5	–	3,2	37,5	252
NR 2	5,7	2,6	Iły	I	–	0,2	15,8	22	3,2	44,3	25
NR 2	6,3	2,6	Glina zwięzła	Gz	–	0,11	21,,4	27	3,2	26,5	0
WYKRES NR 3                 (NA RYSUNKU NR 2)
NR 3	1,0	2,6	Grunty organiczne, Humus	H	0,5	–	27	–	3,2	11,5	68
NR 3	2,0	2,6	Nasyp niekontrolowany w stanie luźnym	nN PS,H+cg +żu	0,25	–	33,8	–	3,2	22,1	130
NR 3	3,5	2,6	Piaski drobne	Pd	0,5	–	32,5	–	3,2	51.4	255
NR 3	3,8	2,6	Piaski drobne	Pd	0,5	–	34,5	–	3,2	52,4	312
NR 3	4,5	2,6	Piaski średnie	PS	0,3	–	28	–	3,2	34,3	125
NR 3	5,5	2,6	Glina piaszczysta	Gp	–	0,4	15,8	22	3,2	42,7	10
NR 3	6,3	2,6	Glina zwięzla	Gz	–	0,3	22	27	3,2	26,5	0
WYKRES NR 4                (NA RYSUNKU NR 2)
NR 4	2,4	2,6	Nasyp niekontrolowany, stan luźny	PS/Pd, H,B	0,25	–	18	–	3,2	26,5	272
NR 4	3,8	2,6	Piasek średni (+ Z)	PS + Ż	0,4	–	32	–	3,2	55,7	625
NR 4	6,3	2,6	Piasek gliniasty, glina piaszczysta	Pg + Gp	–	0,48	13	19	3,2	88,6	0
WYKRES NR 5               (NA RYSUNKU NR 2)
NR 5	0,4	2,6	Nasyp piaszczysty szary	Ps+Gp+żuzel	0,25	–	28	–	3,2	8,34	10
NR 5	1,6	2,6	Piasek średni, średnio zagęszczony	Ps  mw	0,2	–	28	–	3,2	12	33
NR 5	3,8	2,6	Piasek średni, średnio zagęszczony	Ps mw	2	–	28	–	3,2	30	588
NR 5	4,1	2,6	Piasek średni, średnio zagęszczony	Ps mało wilgotny	0,2	–	28	–	3,2	33,2	450
NR 5	5,6	2,6	Piasek średni, średnio zagęszczony	Ps wilgotny	0,5	–	32	–	3,2	48,8	50
NR 5	6,2	2,6	Pospółka szara średnio zagęszczona	Po nawodniona	0,3	–	37	–	3,2	45,1	0

Gdzie:

I_D – stopień zagęszczenia gruntu niespoistego

I_L – stopień plastyczności grunty spoistego

Φ – obliczeniowy kąt tarcia wewnętrznego w stopniach

c_u – spójność gruntu w kPa

e_a – jest to nacisk charakterystyczny dla danej warstwy gruntu, czyli składowa pozioma parcia gruntu wyliczona na podstawie parametrów gruntu takich jak: głębokość położenia spągu danej warstwy, kąt tarcia wewnętrznego, ciężar właściwy, spójność gruntu, nacisk naziomu i nacisk górnych warstw na strop danej warstwy.

γ_M – cząstkowy współczynnik bezpieczeństwa odnoszący się do oddziaływania gruntu

e_ar – jest to nacisk obliczeniowy danej warstwy gruntu, uwzględniający cząstkowy współczynnik bezpieczeństwa γ_M . [e_ar = γ_M x e_a]

 

Jak pokazuje Tablica Nr 2 nacisk obliczeniowy gruntu, przy tej samej głębokości, zależy nie tylko od rodzaju gruntu w poszczególnych warstwach, lecz także od stanu gruntu, jego stopnia konsolidacji i od nawodnienia gruntu.

 

Jak wynika z wykresu krzywych NR 1, 2, 3, 4, 5 jest ekonomicznie uzasadnione, aby inwestor zlecił do zakładu posiadającego certyfikat Polskiego Komitetu Geotechniki, badanie podłoża na trasie planowanego wykopu.