obniżenie energochłonności w procesie inwestycyjnym poprzez

Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym
Mikhail HRYTSUK, Ryszard HULBOJ
Politechnika Częstochowska
OBNIŻENIE ENERGOCHŁONNOŚCI W PROCESIE
INWESTYCYJNYM POPRZEZ WYRÓWNANIE OSIADAŃ
FUNDAMENTÓW ŁAWOWYCH Z WYKORZYSTANIEM PODŁOŻA
GRUNTOWEGO O KSZTAŁCIE TRAPEZOWYM
This paper presents a method for calculating subsidence for foundation benches
for a trapezoidal base. This method allows to reduce material consumption and reduce energy consumption in the investment process.
WPROWADZENIE
W pozycji literaturowej [1] zostały opisane zasady wykonania ław fundamentowych posadowionych na podłożu gruntowym o kształcie trapezowym. Przygotowanie takiego podłoża rozpoczynamy od uformowania podsypki na bazie z pospółki żwirowej (Po) lub też z piasku grubego (Pg) o kształcie trapezu (rys. 1).
Qi = 0
D
∆hi=Si
B/3
B/3
B
Rys. 1. Schemat ławy fundamentowej posadowionej na podłożu gruntowym o kształcie
trapezowym przy obciążeniu Qi = 0
Obniżenie energochłonności w procesie inwestycyjnym poprzez wyrównanie osiadań fundamentów …
55
Grubość podsypki dla i-tej ławy ∆hi przyjmuje się równą Si (Si jest osiadaniem
i-tej ławy przy całkowitym obciążeniu). Schemat obliczeniowy ławy fundamentowej w tym przypadku prezentuje rysunek 2.
Qrr
Q
2
D
1
B
B/3
B/3
qśr
=
qmax
Rys. 2. Schemat ławy fundamentowej posadowionej na podłożu gruntowym
o kształcie trapezowym podczas obciążenia Q = Qr:
1 - strefa zagęszczonego gruntu; 2 - ława fundamentowa
1. WYRÓWNANIE OSIADAŃ FUNDAMENTÓW ŁAWOWYCH
Osiadanie ław fundamentowych oblicza się zgodnie z Polską Normą [2]. W takim przypadku obliczeń uzyskamy nierównomierne osiadanie fundamentów budowli. Dla wyrównania osiadania wszystkich ław fundamentowych grubość podsypki każdej ławy ∆hi przyjmujemy równą Smax (gdzie Smax - maksymalne
osiadanie ławy fundamentowej). Aby osiadanie ław fundamentowych o mniejszych
obciążeniach było równe Smax, należy zwiększyć obciążenie na te ławy do takiej
wartości, żeby Si = ∆hi = Smax poprzez zmniejszenie ich szerokości. Budynek uzyska największą stateczność, kiedy różnice osiadań ław fundamentowych o różnych
szerokościach będą minimalne lub równe zeru. Dla wyrównania osiadań ław fundamentowych oblicza się maksymalne osiadanie Smax najbardziej obciążonych ław,
stosując się do Polskiej Normy [2]
n
S = ∑ Si
i =1
(1)
56
M. Hrytsuk, R. Hulboj
gdzie:
n - ilość warstw podłoża,
Si - osiadanie warstwy, które wyznacza się z Polskiej Normy [2] na podstawie metody jednoosiowej.
QQirir== Qrmax
max
a)
D
∆hk = Smax
B1 = B max
qsr = qr
qmax
QQrnr n
b)
∆h3 = Smax
x
B 3 < B2
B2 < B1
x
∆h 2
q2 q3 ⊳ q1 = qsr
Rys. 3. Schemat obliczeniowy ław fundamentowych o różnych szerokościach
z wyrównaniem osiadań
Obniżenie energochłonności w procesie inwestycyjnym poprzez wyrównanie osiadań fundamentów …
57
Po wyznaczeniu wymiarów ław fundamentowych według I stanu granicznego
można obliczyć osiadania metodą jednoosiową lub trójosiową. Według pierwszej
metody osiadania i-tej warstwy podłoża, Si oblicza się z zależności [2]
Si = Si' + Si'' = σzdi · hi / Moi + λ σzsi · hi / Mi
(2)
gdzie:
σzdi, σzsi - dodatkowe i wtórne naprężenie występujące pod fundamentem w połowie grubości i-tej warstwy,
Si'
- osiadanie pierwotne i-tej warstwy,
Si''
- osiadanie wtórne i-tej warstwy,
- grubość i-tej warstwy,
hi
M0i, Mi - endometryczne moduły ściśliwości (pierwotny i wtórny),
λ
- współczynnik, który przyjmuje wartości 0 lub 1 w zależności od stopnia
naprężeń występujących w podłożu podczas wykonywania robót fundamentowych: λ = 0 - przyjmujemy, gdy czas wznoszenia budowli nie
trwa dłużej niż 1 rok; λ = 1 - gdy czas wznoszenia budowli jest dłuższy
niż rok.
W wyniku przeprowadzonych obliczeń wybieramy ławę o maksymalnym osiadaniu ∆h = Smax. Wartość tę przyjmuje się jako początkową. Na wstępnie przygotowanym podłożu dla tej ławy usypujemy zagęszczony nasyp o wysokości
∆h = Smax z piasku grubego lub pospółki żwirowej. Pozostałe ławy fundamentowe,
dla których osiadania posiadają wartości mniejsze od Smax, wykonujemy również
na podsypce z piasku grubego lub pospółki żwirowej.
Aby wszystkie ławy fundamentowe uzyskały osiadanie równe wartości Smax,
należy zwiększyć ciśnienie na grunt poprzez odpowiednie zmniejszenie szerokości
ławy. Schemat obliczeniowy przedstawiono na rysunkach 3a i b.
Przy zmniejszeniu szerokości ławy fundamentowej wzrośnie odpowiednio
ciśnienie na grunt, które będzie większe od jednostkowego ciśnienia obliczeniowego qf.
2. WYZNACZENIE NOŚNOŚCI GRANICZNEJ GRUNTU
DLA PODŁOŻA GRUNTOWEGO O KSZTAŁCIE TRAPEZOWYM
Zgodnie z PN [2], projektowanie fundamentów ławowych nakłada spełnienie
warunku, aby ciśnienie na grunt pod podstawą fundamentu było mniejsze od jednostkowego oporu granicznego, tj.:
qrs ≤ qf
(3)
gdzie qf to jednostkowy opór obliczeniowy (PN [2]) wyznaczany ze wzoru
qf = cu Nc + ND Dγ’ + NB Bγ”
(4)
58
M. Hrytsuk, R. Hulboj
przy czym:
Nc, ND, NB - współczynniki zależne od kąta tarcia wewnętrznego,
- wartość obliczeniowa spoistości gruntu,
cu
D
- głębokość posadowienia fundamentu,
γ’
- ciężar objętościowy gruntu na poziome posadowienia,
γ”
- ciężar objętościowy gruntu pod podstawą fundamentu,
Dγ’
- obciążenie od ciężaru gruntu na poziome posadowienia.
Dla schematu obliczeniowego (rys. 3b) ciśnienie na grunt qx wystąpi również na
wspornikach ławy fundamentowej, przyjmując wartości od q = 0 do qmax. Będzie
ono dodatkowym obciążeniem dla części środkowej podstawy ławy. Wtedy dla
podłoża gruntowego o kształcie trapezowym jednostkowy opór obliczeniowy uzyska postać [3]
qt = CuNc + ND (Dγ’ + 0,5qmax) + NBBγ’
(5)
gdzie 0,5qmax - średnia wartość dodatkowego obciążenia na grunt do środkowej
części podstawy fundamentu.
Wówczas
qtl >> qf
(6)
Spełnienie warunku (6) pozwala stosować przedstawione obliczenia przy projektowaniu fundamentów ławowych na podłożu gruntowym o kształcie trapezowym. Z warunku (6) wynika też, że ciśnienie pod środkiem ławy fundamentowej
może spowodować wystąpienie strefy uplastycznionej gruntu. Do wyznaczenia
możliwego uplastycznienia gruntu pod podstawą fundamentu można stosować
równanie stanu granicznego Coulomba-Mohra w postaci
(σ y − σ x ) 2 + 4τ 2xy
(σ x + σ y + 2cctgφc2
≤ sin 2φ
(7)
gdzie:
ϕ - kąt tarcia wewnętrznego,
c - spójność gruntu.
PODSUMOWANIE
Metoda wykonania podłoża gruntowego daje możliwość wyrównania osiadań
wszystkich ław budynku. W rezultacie tak przedstawianego obliczania wyrównań
osiadań ław fundamentowych zwiększa się stateczność budynków, a co za tym
idzie - w znaczny sposób zmniejsza się ilość (do 50%) zużytych materiałów na
wykonanie fundamentów ławowych w budownictwie. Jest obniżona również energochłonność produkcji w procesie inwestycyjnym.
Obniżenie energochłonności w procesie inwestycyjnym poprzez wyrównanie osiadań fundamentów …
59
LITERATURA
[1] Hrytsuk M. i in., Wykonanie wykopów do posadowienia ław fundamentowych, Zeszyty Naukowe
Politechniki Częstochowskiej 2010, nr 166, Seria Budownictwo 16, 127-130.
[2] PN-81/B-03020. Posadowienie bezpośrednie budowli. Obliczania statyczne i projektowanie,
Warszawa 1981, s. 24.
[3] Hrytsuk M., Racjonalne konstrukcje fundamentów płytowych, Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2010.