Politechnika Gdańska Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska Katedra Geotechniki, Geologii i Budownictwa Morskiego	Gdańsk, 12.06.2014

PROJEKT ŚCIANKI SZCZELNEJ

Ścianka kotwiona utwierdzona dołem w gruncie

Wykonanie: Klaudia Kula Grupa 2 (dziekańska 8) Budownictwo sem.IV	Sprawdzający: mgr inż. Tomasz Kusio

SPIS TREŚCI:

1.0 OPIS TECHNICZNY 1.1 Podstawa opracowania 1.2 Przedmiot i zakres opracowania 1.3 Lokalizacja obiektu 1.4 Warunki gruntowe 1.5 Stan terenu istniejący 1.6 Opis konstrukcji 1.7 Technologia wykonania 1.8 BIOZ 1.9 Wykorzystane materiały i programy 2.0 Przyjęcie wstępnych wymiarów i konstrukcji ścianki szczelnej 3.0 Obliczenia statyczne ścianki 3.1 Obliczenie parcia i odporu gruntu (+parcie wody) 3.2 Obliczenie głębokości zerowania się wykresów 3.3 Obliczenie wypadkowych po stronie parcia 3.4 Wyznaczenie siły w ściągu S oraz reakcji RB 3.5 Wyznaczenie minimalnego zagłębienia ścianki 3.6 Wyznaczenie maksymalnego momentu zginającego 4.0 Zwymiarowanie elementów konstrukcyjnych 4.1 Wyznaczenie wartości obliczeniowych 4.2 Dobranie profili ścianki 4.3 Dobranie kleszczy 4.4 Dobranie ściągów 4.5 Dobranie śrub 5.0 Zaprojektowanie i obliczenie nośności zakotwienia ściągów Załączniki: - Rys. 1: Przekrój pionowy ścianki z profilem geotechnicznym (1:75) - Rys. 2: Widok z góry na ściankę (1:75) - Rys. 3: Ścianka szczelna kotwiona – szczegóły (1:20) - Rys. 4: Konstrukcja ściągu i zakotwienia (1:10) - Oryginał projektu z danymi wyjściowymi (nr 44)

2 2 2 2 2 3 3 3 4 4 5 6 6 9 9 10 10 12 14 14 14 14 14 15 15

1. OPIS TECHNICZNY

   1. Podstawa opracowania

Projekt wykonany w ramach zajęć z fundamentowania (studia inżynierskie sem.IV) na zlecenie Katedry Geotechniki, Geologii i Budownictwa Morskiego Politechniki Gdańskiej.

1. Przedmiot i zakres opracowania

Przedmiotem opracowania jest ścianka szczelna jednokrotnie zakotwiona, dołem utwierdzona w gruncie. W zakres opracowania wchodzi: określenie oddziaływań gruntu i wody na ściankę, obliczenia statyczne, wyznaczenie zagłębienia ścianki w gruncie, obliczenia momentów zginających w brusach oraz siłę w ściągu, zwymiarowanie elementów konstrukcyjnych, zaprojektowanie i obliczenie nośności zakotwienia ściągów.

1. Lokalizacja obiektu

Projektowany obiekt zostanie zastosowany w celu umocnienia nabrzeża w Gdyni.

1. Warunki gruntowe

Obiekt posadowiony na podłożu uwarstwionym:

1. piasek ilasty (clSa):

- I_D=0,30

- γ=20 kN/m³

- ϕ=16°

- c=20 kPa

- h=2,20 m

1.4.2 piasek pylasty (siSa)

- I_D=0,50

- γ=18 kN/m³

- ϕ=28°

- c=0 kPa

- h=2,90 m

1.4.2 piasek średni/piasek gruby (MSa/CSa)

- I_D=0,65

- γ=18,1 kN/m³

- ϕ=35°

- c=0 kPa

W gruncie znajduje się również woda gruntowa o dwóch poziomach zwierciadeł. Pierwsze zwierciadło znajduje się na głębokości 2,70 m poniżej poziomu górnego (0,00), natomiast drugie zwierciadło znajduje się na poziomie 3,70 poniżej poziomu górnego. Naziom obciążony jest siłą rozłożoną 15 kN/m².

1. Stan terenu istniejący

Na terenie budowy jak i w okolic nie znajdują się żadne obiekty budowlane. Teren nie jest uzbrojony.

1. Opis konstrukcji

   1. Ogólna charakterystyka konstrukcji

Konstrukcja została zaprojektowana na działanie sił parcia i odporu pochodzących z gruntu, sił związanych z obecnością wód gruntowych oraz obciążenie naziomu p=15 kN/m².

1. Opis poszczególnych elementów konstrukcji

Całkowita długość ścianki wynosi 10,9m. Zagłębienie od poziomu dna basenu: 4,90m. Ścianka została zaprojektowana jako jednokrotnie zakotwiona dołem utwierdzona. Grodzica jest profilu Larssen 601 ze stali St3S. Kleszcze składają się z dwóch ceowników C180 ze stali St3S. Śruby M24. Zakotwienie płytowe o wymiarach 1,2x1,2,x0,5m, rozstaw między ściągami wynosi 2,4m.

1. Opis obliczeń statycznych

W projekcie dokonano obliczeń statycznych ścianki szczelnej metodą analityczną. Zakotwienie zostało zaprojektowane 1,5m poniżej powierzchni naziomu. W pierwszej kolejności obliczono siły parcia i odporu działających na konstrukcję. Wykorzystano równowagę momentów, które pozwoliły na określenie minimalnej głębokości posadowienia ścianki oraz siły działającej w zakotwieniu. Następnym etapem było wyliczenie maksymalnego momentu zginającego. Na podstawie największej wartości przeprowadzono dalsze obliczenia wytrzymałościowe, dzięki którym możliwe było zaprojektowanie dalszych elementów konstrukcji (np. kleszcze, śruby, wymiary zakotwienia płytowego).

1. Technologia wykonania

Projektowaną ściankę należy umieścić w gruncie poprzez wbijanie. Prace rozpoczynamy od narożnika poprzez wbicie po 2 sztuk brusów na prostej wytycznej prowadnicami usytuowanymi na gruncie. Najlepszym rozwiązaniem będzie zastosowanie 2 ubijaków. Podczas gdy jedna wbija brusy na głębokość ok. 3 metrów, druga znajdująca się około 2 do 5 metrów za nią wbija brusy na właściwą głębokość. Po zakończeniu tych czynności, należy wykonać wykop do głębokości posadowienia kleszczy w celu ich zamocowania wraz ze śrubami. Do konstrukcji należy następnie przymocować ściąg. Po zakończeniu tych prac zasypać oczep gruntem i go zagęścić. Przy pomocy śruby zaciągamy ściąg, a ostateczne zasypanie gruntem następuje, po wystąpieniu dostatecznej wartości odporu.

1. BIOZ

Wykonywane prace to montaż ciężkich elementów prefabrykowanych, dlatego należy zastosować szczególną ostrożność. Pracownikom wykonywującym konstrukcje nie grozi zagrożenie w postaci np. bliskości linii wysokiego napięcia. W okolicy nie znajdują się też żadne inne obiekty budowlane. Należy jednak zwrócić uwagę by nie przysypać kogoś ziemią oraz by nie doznać urazów spowodowanych kontaktem z elementami stalowymi w trakcie prac montażowych. Aby zminimalizować zagrożenie należy odpowiednio zagospodarować plac budowy (w tym także wydzielenia bezpośredniego miejsca prowadzenia prac). Na terenie budowy powinny znajdować się tablice informacyjne o sposobie użytkowania urządzeń wykorzystywanych w trakcie prac. Każdy z pracowników powinien przejść szkolenie BHP i stosować środki ochrony osobistej.

1. Wykorzystane materiały i programy

Literatura, normy, strony internetowe:

- Wykład „Ścianki szczelne” Wojciech Puła (http://www.ib.pwr.wroc.pl/wpula/FW12.pdf)

- Krasiński Adam „Obliczanie i projektowanie ścianek szczelnych”, skrypt dydaktyczny Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2007.

- Krasiński Adam „Fundamentowanie-ćwiczenia część 9”, skrypt dydaktyczny Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2014

- PN-81/B-03020 – Grunty budowlane. Posadowienie bezpośrednie budowli. Obliczenia statyczne i projektowanie.

- PN-90/B-03200 - Konstrukcje stalowe. Obliczenia statyczne

i projektowanie.

- PN-EN ISO 898-1

- PN-EN 1993-1-8

- http://www.hossa-stal.pl/static/grodzice_larssen.html

- http://bobrek.pl/przeliczniki/profile_stalowe/7/ceowniki_zwykle.html

- http://www.lwcad.republika.pl/r_gw_metr.htm

- http://metale.pwr.wroc.pl/files/A.Biegus-Polaczenia_Srubowe.pdf

- http://www.jdfields-cp.com/acad_drawing_files.html L601.dwg

Programy:

- AutoCAD 2011

- Microsoft Office Word 2013 oraz Excel 2013

1. Przyjęcie wstępnych wymiarów I konstrukcji ścianki szczelnej

szczelna01.pdf

1. Obliczenia statyczne ścianki

   1. Obliczenia parcia i odporu gruntu (+parcie wody)

Wykorzystane wzory:

$$K_{a} = \text{tg}^{2}(45 - \frac{\phi}{2})$$

K_p=

K_p′=η_p •K_p  • cosδ_p;  przyjmujemy η_p = 0, 85 

$e_{\text{ai}} = \left( \gamma_{i} \bullet h_{i} + p \right) \bullet K_{\text{ai}} - 2 \bullet c_{i} \bullet \sqrt{K_{\text{ai}}}$ –> parcie

$e_{\text{pi}} = \left( \gamma_{i} \bullet h_{i} + p \right) \bullet K_{\text{pi}}' + 2 \bullet c_{i} \bullet \sqrt{K_{\text{pi}}'}$ -> odpór

e_ai − e_pi + e_wi = e_i

Parcie:

$$K_{a1} = \text{tg}^{2}\left( 45 - \frac{16}{2} \right) = 0,568$$

$$K_{a2} = \text{tg}^{2}\left( 45 - \frac{28}{2} \right) = 0,361$$

$$K_{a3} = \text{tg}^{2}\left( 45 - \frac{35}{2} \right) = 0,271$$

$$e_{a1} = \left( 20 \bullet 0 + 15 \right) \bullet 0,568 - 2 \bullet 12 \bullet \sqrt{0,568} = - 9,568\ kPa$$

$$e_{a2} = \left( 20 \bullet 1,5 + 15 \right) \bullet 0,568 - 2 \bullet 12 \bullet \sqrt{0,568} = 7,472\ kPa$$

$$e_{a3} = \left( 20 \bullet 2,2 + 15 \right) \bullet 0,568 - 2 \bullet 12 \bullet \sqrt{0,568} = 15,424\ kPa$$

$$e_{a4} = \left( 20 \bullet 2,2 + 15 \right) \bullet 0,361 - 2 \bullet 0 \bullet \sqrt{0,568} = 21,299\ kPa$$

e_a5 = (20•2,2+15+0,5•8) • 0, 361 = 24, 548 kPa

e_a6 = 24, 548 + 1, 0 • 8 • 0, 361 = 27, 479 kPa

e_a7 = 27, 479 + 1, 4 • 8 • 0, 361 = 31, 479 kPa

e_a8 = (20•2,2+15+0,5•8+2,4•8) • 0, 271 = 23, 631 kPa

e_a9 = 23, 631 + 0, 9 • 8, 1 • 0, 271 = 25, 607 kPa

e_a10 = 25, 607 + 3, 0 • 8, 1 • 0, 271 = 32, 192 kPa

Odpór:

$$\delta_{p} = \frac{- \phi}{2} = \frac{- 35}{2} = - 17,5$$

K_p = 7, 361

K_p^′ = 0, 85  • 7, 361 • cos(−17, 5)=5.967

e_p9 = 8, 1 • 0 • 5.967 = 0 kPa

e_p10 = 8, 1 • 3, 0 • 5.967 = 144, 998 kPa

Parcie wody:

Δh_w = 1, 0 m 

e_w5 = 0 kPa

e_{w(6 − 10)} = 10 • 1, 0 = 10 kPa

Suma:

e_1 − 5 = e_{a1 − a5}

e₆ = 27, 479 + 10 = 37, 479 kPa

e₇ = 31, 479 + 10 = 41, 479 kPa

e₈ = 23, 631 + 10 = 33, 631 kPa

e₉ = 25, 607 + 10 = 35, 607 kPa

e₁₀ = 32, 192 − 144, 998  + 10 = −102, 806  kPa

Szczelna02.pdf

1. Obliczenie głębokości zerowania się wykresów

$$a_{n} = \frac{35,607}{35,607 + 102,806} \bullet 3,00 = 0,7718\ m$$

1. Obliczenie wypadkowych po stronie parcia

Wykorzystane wzory:

Rys. 1 (Krasiński.A „Obliczanie i projektowanie ścianek szczelnych” str.18)

$$E_{1} = \frac{7,472 \bullet 0,657}{2} = 2,4545\ kN/m$$	r1S = 0, 2186 m	r1B = 5, 4903 m
$$E_{2} = \frac{7,472 + 15,424}{2} \bullet 0,7 = 8,0136\ kN/m$$	r2S = 0, 3902 m	r2B = 4, 8816 m
$$E_{3} = \frac{21,299 + 24,548}{2} \bullet 0,5 = 11,461\ kN/m$$	r3S = 0, 9545 m	r3B = 4, 3173 m
$$E_{4} = \frac{24,548 + 41,479}{2} \bullet 2,4 = 79,232\ kN/m$$	r4S = 2, 5023 m	r4B = 2, 7695 m
$$E_{5} = \frac{33,631 + 35,607}{2} \bullet 0,9 = 31,157\ kN/m$$	r5S = 4, 0704 m	r5B = 1, 2014 m
$$E_{6} = \frac{35,607}{2} \bullet 0,7718 = 13,741\ kN/m$$	r6S = 4, 7573 m	r6B = 0, 5145 m

1. Wyznaczenie siły w ściągu S oraz reakcji R_B

r_SB = 5, 2718 m 

ΣM_B = −2, 454 • 5, 4903 + S • 5, 2718 − 8, 014 • 4, 8816 − 11, 461 • 4, 3173 − 79, 232 • 2, 7695 − 31, 157 • 1, 2014 − 13, 073 • 0, 5145 = 0

S = 69, 4280 kN/m

r_BS = 5, 2718 m 

ΣM_S = −2, 454 • 0, 2186 + 8, 014 • 0, 3902 + 11, 461 • 0, 9545 + 79, 232 • 2, 5023 + 31, 157 • 4, 0704 + 13, 741 • 4, 7573 − R_B • 5, 2718 = 0

R_B=76, 6311 kN/m

Sprawdzenie wyników:

ΣX = 0, 00005 

1. Wyznaczenie minimalnego zagłębienia ścianki

$$\Sigma M_{C*} = - R_{B} \bullet t_{c}^{*} + \frac{1}{3} \bullet t_{c}^{*} \bullet E_{p}^{*} = 0$$

$$E_{p}^{*} = \frac{1}{2} \bullet t_{c}^{*} \bullet e_{p}\left( t_{c}^{*} \right)$$

$$e_{p}\left( t_{c}^{*} \right) = \frac{102,806}{3 - 0,7718} \bullet t_{c}^{*} = 46,139 \bullet t_{c}^{*}$$

$$E_{p}^{*} = \frac{1}{2} \bullet t_{c}^{*} \bullet 46,139 \bullet t_{c}^{*} = 23,069{\bullet t}_{c}^{2*}$$

$$\Sigma M_{C*} = - R_{B} \bullet t_{c}^{*} + \frac{1}{3} \bullet t_{c}^{*} \bullet 23,069t_{c}^{2*} = - 76,6311 \bullet t_{c}^{*} + 7,690t_{c}^{3*} = 0$$

t_c^* = 3, 1567 m 

Zagłębienie od dolnego naziomu:

t_c = 0, 7718 + 3, 1567 = 3, 7979 m = 3, 929 m 

e_p(t_c^*) = 46, 139 • 3, 1567 = 145, 647 kPa

E_p^*(t_c^*) = 23, 069 • t_c^2* = 228, 278 kN/m

Szczela03.pdf

1. Wyznaczenie maksymalnego momentu zginającego

Obliczenie M₁:

Miejsce zerowania się sił tnących:

T₅ = 68, 854 − 2, 454 − 8, 014 − 11, 481 = 46, 905

T₇ = 68, 854 − 2, 454 − 8, 014 − 11, 481 − 79, 232 = −32, 327

$$e_{\text{aw}}\left( y_{1m} \right) = \frac{e_{7} - e_{5}}{h_{5 - 7}} \bullet y_{1m} + e_{5} = \frac{41,479 - 24,548}{2,4} \bullet y_{1m} + 24,548 = 7,0546 \bullet y_{1m} + 24,548$$

$$E_{\text{aw}}\left( y_{1m} \right) = \frac{e_{\text{aw}}\left( y_{1m} \right) + e_{5}}{2} \bullet y_{1m}$$

$$E_{\text{aw}}\left( y_{1m} \right) = \frac{7,0546 \bullet y_{1m} + 24,548 + 24,548}{2} \bullet y_{1m} = 3,5273 \bullet y_{1m}^{2} + 24,548 \bullet y_{1m}$$

T(y_m1) = 0 = > 68, 854 − 2, 454 − 8, 014 − 11, 461 − 3, 5273 • y_1m² − 24, 548 • y_1m = 0

3, 5273 • y_1m² + 24, 548 • y_1m − 58, 386 = 0

y_1m = 1, 878 m 

e_aw(1,878) = 37, 797 kPa

$$E_{\text{aw}}\left( 1,878 \right) = 58,542\frac{\text{kN}}{m}$$

r₁ = 0, 878 m

M_1max = −2, 454 • 3, 297 + 68, 854 • 3, 078 − 8, 014 • 2, 689 − 11, 461 • 2, 124 − 58, 542 • 0, 878

M_1max=106, 549 kNm/m

Obliczenie M₂:

Miejsce zerowania się sił tnących:

T(y_m2) = 0 = >  − 76, 631 + 23, 069y_m2² = 0

y_m2 = 1, 823 m

$$E_{p}\left( 1,823 \right) = 23,069 \bullet {1,823}^{2} = 76,666\ \frac{\text{kN}}{m}$$

$$M_{2max} = - 76,631 \bullet 1,823 + 76,631 \bullet \frac{1,823}{3} = - 93,132\ kNm/m$$

M_2max= − 93, 132  kNm/m

M_MAX=max[ |M_1max|;|M_2max|]=106, 549 kNm/m

Szczelna04.pdf

1. Zwymiarowanie elementów konstrukcyjnych

   1. Wyznaczenie wartości obliczeniowych

M_MAX = 1, 25 • 106, 549 = 133, 186 kNm/m

$$S = 1,25 \bullet 69,428 = 86,785\ \frac{\text{kN}}{m}$$

t = 1, 25 • 3, 929  = 4, 91 m  = >przyjeto zaglebienie ponizej dna basenu 4, 90 m 

1. Dobranie profili ścianki

Przyjęto stal St3S -> f_d=195 MPa

Wskaźnik wytrzymałości:

$$w \geq \frac{M_{\text{MAX}}}{f_{d}} = \frac{133,186 \bullet 10^{2}}{195 \bullet 10^{- 1}} = 685,01\ \text{cm}^{3}/m$$

Przyjęto profil Larssen 601 o w_x=745 cm³/m > 685,01 cm³/m

Pozostałe parametry profilu: I=11520 cm⁴/m

1. Dobranie kleszczy

Kleszcze zostaną wykonane z pary ceowników walcowanych

Przyjęto stal St3S -> f_d=195 MPa

Rozstaw ściągów co 4 profile Larssen 601 -> L_S=4x0,6=2,40m

Max. Moment w kleszczach: M_MAX ≈ 0, 1 • S • L_s² ≈ 0, 1 • 86, 785 • 5, 76 ≈ 49, 988 kNm

Potrzebny wskaźnik wytrzymałościowy kleszczy:

$$w \geq \frac{M_{\text{MAX}}}{f_{d}} = \frac{49,988 \bullet 10^{2}}{195 \bullet 10^{- 1}} = 256\ \text{cm}^{3}$$

Pojedynczy ceownik: ∖nw = 128 cm³

Przyjęto profile C180 o w_x=150 cm³ > 128 cm³

1. Dobranie ściągów

Przyjęto stal St3S -> f_d=195 MPa

Obliczeniowa siła na pojedynczy ściąg: S = 2, 4 • 86, 785 = 208, 28 kN

$$A_{\text{nt}} = \frac{S}{f_{d}} = \frac{208,28}{195 \bullet 10^{- 1}} = 10,7\ \text{cm}^{2}$$

Przyjęto pręt ϕ42 mm z gwintem M42 o A_nt = 10, 8 m² > 10, 7 cm²

1. Dobranie śrub

Przyjęto śruby klasy 5.8 wg. PN-EN ISO 898-1 o R_m=520MPa i R_e=420MPa.

Obliczeniowa siła na pojedynczą śrubę:

S_s1 = 1, 2 • 86, 785 = 104, 142 kN (przy rozstawie 1, 2 m)

Potrzebny przekrój netto śruby:

$$A_{s} > max\left\{ \begin{matrix} \frac{S_{s1}}{0,65 \bullet R_{m}} = \frac{104,142}{0,65 \bullet 520 \bullet 10^{- 1}} = 3,08\ \text{cm}^{2} \\ \frac{S_{s1}}{0,85 \bullet R_{e}} = \frac{104,142}{0,85 \bullet 420 \bullet 10^{- 1}} = 2,92\ \text{cm}^{2} \\ \end{matrix} \right.\ $$

Przyjęto śruby M24 o A_s=3,53 cm² > 3,08 cm².

1. Zaprojektowanie i obliczenie nośności zakotwienia ściągów

Rodzaj zakotwienia: płytowe

Parcie

$$K_{a} = \text{tg}^{2}\left( 45 - \frac{\phi}{2} \right) = 0,307$$

e_a1 = (0,9•18+15) • 0, 307 = 9, 578 kPa

e_a2 = (2, 1 • 18 + 15)•0, 307 = 16, 210 kPa

$$E_{a} = \frac{9,578\ \ + 16,210}{2} \bullet 1,2 \bullet 1,2 = 18,567\text{\ kN}$$

Odpór

K_p = =5, 774

K_p^′ = η_p •K_p  • cos(δ_p) = 0, 85  • 5, 774 • cos(−16)=4, 718

e_p1 = 18 • 0, 9 • 4, 718 = 76, 432 kPa

e_p2 = 18 • 2, 1 • 4, 718 = 178, 340 kPa

$$\frac{H}{h} = \frac{2,1}{1,2} = 1,75 \rightarrow \beta = 2,2$$

b_z = 2, 2 • 1, 2 = 2, 64 m > a = 2, 4 m → b_z = a = 2, 4 m 

$$E_{p} = \frac{76,432 + 178,340}{2} \bullet 1,2 \bullet 2,2 = 336,299\text{\ kN}$$

S_max = 0, 8 • E_p − 1, 2 • E_a = 0, 8 • 336, 299 − 1, 2 • 18, 567 = 246, 759 kN > 86, 785 kN

Zaprojektowana płyta z dużym zapasem przeniesie siłę ściągu.