POLITECHNIKA GDAŃSKA
PROJEKT ŚCIANKI SZCZELNEJ
Funkcja | Tytuł zawodowy | Imię i nazwisko | Grupa | Podpis |
---|---|---|---|---|
Projektant | student | Adam Smycz | 13 | |
Weryfikator | mgr inż. | Tomasz Kusio |
Uwagi:
OPT | Z | OBL | T | RYS | K | SUMA |
---|---|---|---|---|---|---|
Gdańsk, 20.06.2012 r.
Projekt został wykonany w ramach przedmiotu Fundamentowanie na zlecenie Katedry Geotechniki, Geologii i Budownictwa Morskiego Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiska Politechniki Gdańskiej. Jego podstawą był temat nr 23.
Celem projektu jest zaprojektowanie ścianki szczelnej dołem wolno podpartą.
obliczenie sił parcia i odporu działających w gruncie
wyznaczenie głębokości ścianki szczelnej
obliczenie maksymalnego momentu zginającego występującego w ściance szczelnej
brusów
kleszczy
rozpór
śrub
Projekt ma powstać w województwie pomorskim, mieście – gminie: Gdańsk, przy ulicy Pilotów 23.
Przebieg przekroju geologicznego:
Glina piaszczysta: IL=0,35, zalegający do głębokości 2,4 m p. p. t.
Piasek drobny: ID=0,45, zalegający do głębokości 6,2 m p. p. t.
Piasek drobny i średni: ID=0,80, zalegający poniżej 6,2 m p. p. t.
Teren nieuzbrojony, płaski, inne obiekty nie występują.
Zwierciadło wody gruntowej znajduje się na głębokości:
po stronie parcia gruntu – 3,1 m p. p. t.
po stronie odporu gruntu – 8,4 m p. p. t.
Środowisko wód podziemnych jest nieagresywne. Nie występuje przepływ wody pod ścianką.
Ścianka została zaprojektowana jako konstrukcja pracująca pod obciążeniami pochodzącymi od sił parcia i odporu gruntu, parcia wody oraz obciążenia naziomu.
Głębokość wbicia ścianki: 3,8 m.
Łączna wysokość ścianki: 11,2m
Brusy – profile PU20
Kleszcze – dwa ceowniki C220
Rozpora – rura stalowa φ 273/12,5 mm
Śruba – M24
Przy obliczeniach statycznych ścianki szczelnej posłużono się metodą analityczną uproszczoną – wyznaczenie głębokości wbicia ścianek i momentów maksymalnych występujących w ściankach. Elementy konstrukcyjne i zakotwienie zwymiarowano w oparciu o obliczenia wytrzymałościowe.
Teren przeznaczony pod wykonanie ścianki jest niezabudowany i nieuzbrojony w obrębie 500 m.
PN-90/B-03000 – Projekty budowlane. Obliczenia statyczne.
PN-81/B-02000 – Obciążenia budowli. Zasady ustalania wartości.
PN-81/B-03020 – Grunty budowlane. Posadowienie bezpośrednie budowli. Obliczenia statyczne i projektowanie.
Cz. Rybak; Fundamentowanie. Projektowanie posadowień; Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2001, ISBN-83-7125-080-0
A. Krasiński; Wykłady z fundamentowania dla studiów inżynierskich
Autodesk– AutoCAD 2012
1. Gp – Glina piaszczysta
Za pomocą normy PN-81/B-03020 ustalono metodą B na podstawie wiodącego parametru IL:
W = 20, 5%
$$\rho_{s} = 2,67\frac{t}{m^{3}}$$
Wyznaczenie gęstości objętościowej:
$$\rho = \frac{\gamma}{g}$$
$$\rho = \frac{20,10}{9,81} = 2,05\frac{t}{m^{3}}$$
Wyznaczenie gęstości objętościowej szkieletu gruntowego:
$$\rho_{d} = \frac{100*\rho}{100 + W}$$
$$\rho_{d} = \frac{100*2,05}{100 + 20,5} = 1,70\frac{t}{m^{3}}$$
Wyznaczenie porowatości:
$$n = \frac{\rho_{s} - \rho_{d}}{\rho_{s}}$$
$$n = \frac{2,67 - 1,70}{2,67} = 0,363$$
Wyznaczenie gęstości objętościowej z uwzględnieniem wyporu gruntu:
ρ′ = (1−n) * (ρs − ρw)
$$\rho^{'} = \left( 1 - 0,363 \right)*\left( 2,67 - 1 \right) = 1,06\frac{t}{m^{3}}$$
Wyznaczenie ciężaru objętościowego z uwzględnieniem wyporu gruntu:
γ′ = ρ′ * g
$$\gamma^{'} = 1,06*9,81 = 10,43\frac{\text{kN}}{m^{3}}$$
2. Pd – Piasek drobny
Za pomocą normy PN-81/B-03020 ustalono metodą B na podstawie wiodącego parametru ID:
W = 25, 6%
$$\rho_{s} = 2,65\frac{t}{m^{3}}$$
Wyznaczenie gęstości objętościowej:
$$\rho = \frac{\gamma}{g}$$
$$\rho = \frac{18,40}{9,81} = 1,88\frac{t}{m^{3}}$$
Wyznaczenie gęstości objętościowej szkieletu gruntowego:
$$\rho_{d} = \frac{100*\rho}{100 + W}$$
$$\rho_{d} = \frac{100*1,88}{100 + 25,6} = 1,49\frac{t}{m^{3}}$$
Wyznaczenie porowatości:
$$n = \frac{\rho_{s} - \rho_{d}}{\rho_{s}}$$
$$n = \frac{2,65 - 1,49}{2,65} = 0,436$$
Wyznaczenie gęstości objętościowej z uwzględnieniem wyporu gruntu:
ρ′ = (1−n) * (ρs − ρw)
$$\rho^{'} = \left( 1 - 0,436 \right)*\left( 2,65 - 1 \right) = 0,93\frac{t}{m^{3}}$$
Wyznaczenie ciężaru objętościowego z uwzględnieniem wyporu gruntu:
γ′ = ρ′ * g
$$\gamma^{'} = 0,93*9,81 = 9,12\frac{\text{kN}}{m^{3}}$$
3. Pd/Ps – Piasek drobny i średni
Za pomocą normy PN-81/B-03020 ustalono metodą B na podstawie wiodącego parametru ID:
W = 11, 2%
$$\rho_{s} = 2,65\frac{t}{m^{3}}$$
Wyznaczenie gęstości objętościowej:
$$\rho = \frac{\gamma}{g}$$
$$\rho = \frac{18,80}{9,81} = 1,92\frac{t}{m^{3}}$$
Wyznaczenie gęstości objętościowej szkieletu gruntowego:
$$\rho_{d} = \frac{100*\rho}{100 + W}$$
$$\rho_{d} = \frac{100*1,92}{100 + 11,2} = 1,72\frac{t}{m^{3}}$$
Wyznaczenie porowatości:
$$n = \frac{\rho_{s} - \rho_{d}}{\rho_{s}}$$
$$n = \frac{2,65 - 1,72}{2,65} = 0,350$$
Wyznaczenie gęstości objętościowej z uwzględnieniem wyporu gruntu:
ρ′ = (1−n) * (ρs − ρw)
$$\rho^{'} = \left( 1 - 0,350 \right)*\left( 2,65 - 1 \right) = 1,07\frac{t}{m^{3}}$$
Wyznaczenie ciężaru objętościowego z uwzględnieniem wyporu gruntu:
γ′ = ρ′ * g
$$\gamma^{'} = 1,07*9,81 = 10,53\frac{\text{kN}}{m^{3}}$$
Rysunek
Hn = 7, 4m
t = 3, 6m
δa = 0
$$\delta_{p} = - \frac{\phi}{2}$$
ηp = 0, 85
$$K_{a} = \operatorname{}\left( 45 - \frac{\phi}{2} \right)$$
$$K_{p} = \frac{\operatorname{}\phi}{\cos\delta_{p} \bullet \left\lbrack 1 - \sqrt{\frac{\sin{\left( \phi - \delta_{p} \right) \bullet \sin\phi}}{\cos\delta_{p}}} \right\rbrack^{2}}$$
Kp′ = ηp • Kp ∖ n
- Warstwa I
$$K_{a} = \operatorname{}{\left( 45 - \frac{14}{2} \right) = 0,610}\backslash n$$
$$K_{a} = \operatorname{}{\left( 45 - \frac{30}{2} \right) = 0,333}$$
$$K_{a} = \operatorname{}{\left( 45 - \frac{33}{2} \right) = 0,295}$$
$$K_{p} = \frac{\operatorname{}{33}}{\cos\left( - \frac{33}{2} \right) \bullet \left\lbrack 1 - \sqrt{\frac{\sin{\left( 33 + \frac{33}{2} \right) \bullet \sin{33}}}{\cos\left( - \frac{33}{2} \right)}} \right\rbrack^{2}} = 6,243$$
Kp′ = 0, 85 • 6, 243 = 5, 307
$$e_{a1} = 14 \bullet 0,610 - 2 \bullet 16 \bullet \sqrt{0,610} = - 16,455\ kPa$$
$$e_{a2g} = (14 + 2,4 \bullet 20,10) \bullet 0,610 - 2 \bullet 16 \bullet \sqrt{0,610} = 13,984\ kPa$$
ea2d = (14+2,4•20,10) • 0, 333 = 20, 747 kPa
ea3 = (14+2,4•20,10+0,7•18,40) • 0, 333 = 25, 040 kPa
ea4g = (14+2,4•20,10+0,7•18,40+3,1•9,12) • 0, 333 = 34, 466 kPa
ea4d = (14+2,4•20,10+0,7•18,40+3,1•9,12) • 0, 295 = 30, 481 kPa
ea7 = (14+2,4•20,10+0,7•18,40+3,1•9,12+4,8•10,53) • 0, 295 = 45, 377 kPa
ep5 = 0 kPa
ep6 = 1, 0 • 18, 80 • 5, 307 = 99, 772 kPa
$$e_{ph6} = 99,772 \bullet \cos{\left( - \frac{33}{2} \right) = - 70,040}\text{\ kPa}$$
ep7 = 2, 6 * 10, 53 * 5, 307=145,295kPa
$$e_{ph7} = 145,295 \bullet \cos{\left( - \frac{37}{2} \right) = - 101,997}\text{\ kPa}$$
ew3 = 0 kPa
ew4 = 3, 1 * 10 = 31 kPa
ew5 = 4, 3 * 10 = 43 kPa
ew6 = ew7 = 5, 3 * 10 = 53 kPa
e1 = −16, 455
e2g = 12, 991
e2d = 20, 747
e3 = 25, 040
e4g = 34, 466 + 3, 100 = 37, 566
e4d = 30, 481 + 3, 100 = 33, 581
e5 = 34, 205 + 4, 300 = 38, 505
e6 = 37, 308 + 5, 300 − 70, 040 = −27, 432
e7 = 45, 377 + 5, 300 − 101, 997 = −51, 320
$$a_{n} = \frac{38,505}{38,505 + 27,413} = 0,58m$$
$$E_{a1} = \frac{0,1588 \bullet 1,949}{2} = \ 0,1548\ \frac{\text{kN}}{m}$$
$$E_{a2} = \frac{0,9 \bullet \left( 1,949 + 12,991 \right)}{2} = \ 6,723\frac{\text{kN}}{m}$$
$$E_{a3} = \frac{0,7 \bullet \left( 20,747 + 25,040 \right)}{2} = 16,025\frac{\text{kN}}{m}$$
$$E_{a4} = \frac{3,1 \bullet \left( 25,040 + 37,566 \right)}{2} = 97,039\frac{\text{kN}}{m}$$
$$E_{a5} = \frac{1,2 \bullet \left( 33,581 + 38,505 \right)}{2} = 43,252\frac{\text{kN}}{m}$$
$$E_{a6} = \frac{0,58 \bullet 38,505}{2} = 11,243\frac{\text{kN}}{m}$$
$$E_{p7} = \frac{0,42 \bullet 27,432}{2} = 5,706\frac{\text{kN}}{m}$$
$$E_{p8} = \frac{2,6 \bullet \left( 27,432 + 51,320 \right)}{2} = 102,377\frac{\text{kN}}{m}$$
Ramie działania sił do punktu A
$$r_{a1} = - 1,588 \bullet \frac{1}{3} = - 0,053\text{\ m}$$
$$r_{a2} = \frac{1,949 + 2*12,991}{1,949 + 12,991} \bullet \frac{0,9}{3} = 0,561\ m$$
$$r_{a3} = 0,9 + \frac{20,747 + 2*25,04}{20,747 + 25,04} \bullet \frac{0,7}{3} = 1,261\ m$$
$$r_{a4} = 1,6 + \frac{25,040 + 2*37,566}{25,040 + 37,566} \bullet \frac{3,1}{3} = 3,253\ m$$
$$r_{a5} = 4,7 + \frac{33,581 + 2*38,505}{33,581 + 38,505} \bullet \frac{1,2}{3} = 5,314\ m$$
$$r_{a6} = 5,9 + 0,58 \bullet \frac{1}{3} = 6,093\ m$$
$$r_{a7} = 6,48 + 0,42 \bullet \frac{2}{3} = 6,760\ m$$
$$r_{a8} = 6,9 + \frac{27,432 + 2*51,320}{27,432 + 51,320} \bullet \frac{2,6}{3} = 8,331\ m$$
$$e_{p}\left( t^{'} \right) = 27,432 + \frac{51,320 - 27,432}{3,6 - 0,58 - 0,42} \bullet t^{'} = 27,432 + 9,188 \bullet t^{'}$$
$$E_{p1} = \frac{1}{2} \bullet 27,432 \bullet 0,42 = 5,706$$
Ep2(t′) = 27, 432 • t′ = 27, 432 • t′
$$E_{p3}\left( t^{'} \right) = \frac{1}{2} \bullet 9,188 \bullet t^{'} \bullet t^{'} = 4,594 \bullet {t^{'}}^{2}$$
rAEp1 = 0, 9 + 0, 7 + 3, 1 + 1, 2 + 0, 58 + 0, 28 = 6, 76
rAEp2(t*) = 0, 9 + 0, 7 + 3, 1 + 1, 2 + 1 + 0, 5•t′ = 6, 90 + 0, 5•t′
$$r_{AEp3}\left( t^{*} \right) = 0,9 + 0,7 + 3,1 + 1,2 + 1 + \frac{2}{3}{\bullet t}^{'} = 6,90 + 0,667{\bullet t}^{'}$$
$$\sum_{}^{}{M_{A} =} - 0,1548 \bullet 0,053 + 6,723 \bullet 0,561 + 16,025 \bullet 1,261 + 97,039 \bullet 3,253 + 43,252 \bullet 5,314 + 11,243 \bullet 6,093 - 5,706 \bullet 6,760 - \left( 27,432 \bullet t^{'} \right) \bullet \left( 6,90 + 0,5{\bullet t}^{'} \right) - \left( 4,594 \bullet {t^{'}}^{2} \right) \bullet \left( 6,90 + 0,667{\bullet t}^{'} \right) = 599,411 - 189,281 \bullet t^{'} - 13,716{{\bullet t}^{'}}^{2} - 31,699 \bullet {t^{'}}^{2} - 3,064 \bullet {t^{'}}^{3} = 599,411 - 189,281 \bullet t^{'} - 45,415{{\bullet t}^{'}}^{2} - 3,064 \bullet {t^{'}}^{3}$$
$$\sum_{}^{}{M_{A} =}\ 0$$
599, 411 − 189, 281 • t′ − 45, 415•t′2 − 3, 064 • t′3 = 0
Obliczenie wykonano metodą iteracyjną.
t′ = 2, 04 m
t* = 2, 04 + 0, 42 = 2, 46 m
$$E_{p}\left( t^{'} \right) = 5,706 + 27,432 \bullet t^{'} + 4,594 \bullet {t^{'}}^{2} = 80,786\frac{\text{kN}}{m}$$
$$\sum_{}^{}X = 0$$
S − 0, 1548 − 6, 723 − 16, 025 − 97, 039 − 43, 252 − 20, 404 − 11, 243 + 80, 786 = 0
$$S = 114,054\frac{\text{kN}}{m}$$
$$e_{a + w}\left( y_{m} \right) = 25,040 + \frac{37,566 - 25,040}{3,1} \bullet y_{m} = 25,040 + 4,041 \bullet y_{m}$$
$$E_{a + w}\left( y_{m} \right) = \frac{25,040 + 25,040 + 4,041 \bullet y_{m}}{2}*y_{m} = 25,040*y_{m} + 2,021*y_{m}^{2}$$
T(ym) = > − 0, 1548 + 114, 054 − 6, 723 − 16, 025 − 25, 040 * ym − 2, 021 * ym2 = 0
ym = 2, 94 m
ea + w(2,94) = 25, 040 + 4, 041 • 2, 94 = 36, 921
Ea + w(2,94) = 25, 040 • 2, 94 + 2, 021 • 2, 942 = 91, 086
$$r_{m} = \frac{25,040 + 2 \bullet 36,921}{25,040 + 36,921} \bullet \frac{2,94}{3} = 1,56m$$
Ramiona działania sił względem punktu zerowania się sił tnących
$$r_{a1} = 2,94 + 0,70 + 0,90 + \frac{1}{3} \bullet 0,05 = 4,56\ m$$
$$r_{a2} = 2,94 + 0,70 + \frac{2*1,949 + 12,991}{1,949 + 12,991} \bullet \frac{0,9}{3} = 3,98\ m$$
$$r_{a3} = 2,94 + \frac{2*20,747 + 25,040}{20,747 + 25,040} \bullet \frac{0,7}{3} = 3,28\ m$$
$$r_{m} = \frac{25,040 + 2 \bullet 36,921}{25,040 + 36,921} \bullet \frac{2,94}{3} = 1,56\ m$$
rS = 2, 94 + 0, 7 + 0, 9 = 4, 54 m
Mmax = M(ym) = −0, 1548 • 4, 56 + 114, 054 • 4, 54 − 6, 723 • 3, 98 − 16, 025 • 3, 28 − 91, 086 • 1, 56 = 295, 686 kNm/m
Mmax(r) = 1, 25 • 295, 686 = 369, 608 kNm/m
tc = 1 + 2, 04 = 3, 04 m
t = 1, 25 • tc = 1, 25 * 3, 04 = 3, 8 m
Przyjęto t = 3, 8 m
H = 7, 4 m + 3, 8 m = 11, 20 m
$$\frac{M_{u}}{M_{0}} \geq 1,3$$
$$\frac{}{}\ \ \ = \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \geq 1,3$$
Warunek Spełniony
- Przyjęto stal
St3S → fd=195MPa
- Potrzebna wytrzymałość:
$$\mathbf{W\ \geq}\frac{\mathbf{M}_{\mathbf{\max}}^{\left( \mathbf{r} \right)}}{\mathbf{f}_{\mathbf{d}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{369,608}}{\mathbf{19,5}}\mathbf{= 1895,427\ }\frac{\mathbf{\text{cm}}^{\mathbf{3}}}{\mathbf{m}}$$
- Przyjęto profile PU20 o:
$$\mathbf{W}_{\mathbf{x}}\mathbf{= 2000}\frac{\mathbf{\text{cm}}^{\mathbf{3}}}{\mathbf{m}}\mathbf{> 1895,427}\frac{\mathbf{\text{cm}}^{\mathbf{3}}}{\mathbf{m}}$$
- Pozostałe parametry profilu:
$$\mathbf{J = 43000}\frac{\mathbf{\text{cm}}^{\mathbf{4}}}{\mathbf{m}}\mathbf{,\ A = 179}\frac{\mathbf{\text{cm}}^{\mathbf{2}}}{\mathbf{m}}$$
- Przyjęto stal
St3S → fd=195MPa − kleszcze wykonane zostana z pary ceownikow walcowanych
- Obliczenie siły w rozporze
S(r)=1, 25•114, 054 = 142, 57kN
- Rozstaw rozpór co 4 profile PU20:
Ls=4•0, 6 = 2, 4m
- Maksymalny obliczeniowy moment zginający w kleszczach:
Mmax(r)=0, 1•142, 57•2, 42=82, 120 kNm
- Potrzebny wskaźnik wytrzymałości kleszczy
$$\mathbf{W \geq}\frac{\mathbf{M}_{\mathbf{\max}}^{\left( \mathbf{r} \right)}}{\mathbf{f}_{\mathbf{d}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{82,120}}{\mathbf{19,5}}\mathbf{= 421,128}\frac{\mathbf{\text{cm}}^{\mathbf{3}}}{\mathbf{m}}$$
- Dla pojedynczego ceownika:
W1=0, 5•421, 128 = 210, 564 cm3
- Przyjęto profileC220o:
Wx=245cm3>210, 564 cm3
- Przyjęto śruby klasy 5,8 o:
Rm=520MPa i Re=420MPa
- Obliczeniowa siła na 1 śrubę:
SS1(r)=1, 2•142, 57 = 171, 084 kN − rozstaw ls=1, 2m
- Potrzebny przekrój netto śruby
$$\mathbf{A} > max\left\{ \begin{matrix}
\frac{\mathbf{S}_{\mathbf{S}\mathbf{1}}}{\mathbf{0,65*}\mathbf{R}_{\mathbf{m}}}\mathbf{= 5,06}\mathbf{\text{\ cm}}^{\mathbf{2}} \\
\frac{S_{S1}}{0,85*R_{e}} = 4,79\text{cm}^{2} \\
\end{matrix} \right.\ $$
- Przyjęto śruby M30 o:
As=5, 61cm2>5, 1cm2
- Przyjęto stal
St3S → fd=195MPa → rozpory wykonane zostana z rur stalowych
- Wstępne wymiary rury
φ 273/12,5mm →w rozstawie co R = 4m dlugosci rozpor LR=14 m
- Parametry przekroju rury (z tablic stalowych):
A = 102, 0cm2, J = 8697 cm4, i = 9, 22cm
- Obliczeniowa siła na pojedynczą rozporę:
S1(r)=4•142, 57=570, 280kN
- Długość wyboczeniowa rozpory:
L = μ•LR=1, 0•14, 0 = 14, 0m → Pret obustronnie przeglubowy μ = 1, 0
- Smukłość rozpory :
$$\mathbf{\lambda =}\frac{\mathbf{L}}{\mathbf{i}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{1400,0}}{\mathbf{9,22}}\mathbf{= 151,844}$$
- Smukłość porównawcza:
$$\mathbf{\lambda}_{\mathbf{p}}\mathbf{= 84}\mathbf{\bullet}\sqrt{\frac{\mathbf{215}}{\mathbf{f}_{\mathbf{d}}}}\mathbf{= 88,2}$$
- Smukłość względna:
$$\overset{\overline{}}{\mathbf{\lambda}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{\lambda}}{\mathbf{\lambda}_{\mathbf{p}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{151,844}}{\mathbf{88,2}}\mathbf{= 1,722 \rightarrow wspolczynnik\ wyboczeniowy\ \varphi = 0,32}$$
- Nośność przekroju rozpory na ściskanie:
NRc=A•fd=102, 0•19, 5 = 1989kN
- Warunek nośności:
$$\frac{\mathbf{S}_{\mathbf{1}}^{\mathbf{(r)}}}{\mathbf{\varphi*}\mathbf{N}_{\mathbf{\text{Rc}}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{570,280\ }}{\mathbf{0,32*1989}}\mathbf{= 0,896} < 1 \rightarrow warunek\ spelniony\backslash n$$