Politechnika Gdańska Gdańsk 23.06.2010r.
Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska
Katedra Geotechniki, Geologii i Budownictwa Morskiego
PROJEKT Z FUNDAMENTOWANIA
ŚCIANKA SZCZELNA
Temat nr 14
Wykonała:
Ewelina Kapiszka
WILiŚ, sem. IV, grupa 3
Spis Treści
1.Opis techniczny str.3-5
2.Ustalanie parametrów geotechniczny wg PN-81/B-03020 str.6
3. Obliczenia statyczne str.7-12
4. Wymiarowanie elementów ścianki str.13-14
5. Obliczenia zakotwienia ścianki str.15-16
6. Obliczenia stateczności ogólnej str.17
7. Rysunki .
1.0 Opis techniczny
1.1 Podstawa opracowania
Podstawą opracowania był temat projektu nr 14 wydany przez Katedrę Geotechnik, Geologii i Budownictwa Morskiego Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiska Politechniki Gdańskiej.
1.2 Przedmiot i zakres opracowania.
Przedmiotem projektu jest ścianka szczelna jednokrotnie zakotwiona dla zadanych warunków.
W otrzymanym projekcie został podany opis parametrów geotechnicznych gruntu, który pozwolił na obliczenie sił parcia i odporu działającego w gruncie. Następnym krokiem było obliczenia ścianki szczelnej metodą analityczną dla dwóch schematów statycznych: dołem wolno podparta oraz dołem utwierdzona. Wykonano również wymiarowanie elementów ścianki : brusów, kleszczy i śrub. Obliczono zakotwienie blokowe i sprawdzono stateczność ścianki za pomocą metody Kranza. Do projektu zostały dołączone rysunki techniczne wykonane w programie Autocad Civil 3D 2010.
1.3 Wykorzystane materiały:
PN-81/B-03020- Grunty budowlane. Posadowienie bezpośrednie budowli. Obliczenia statyczne i projektowanie
PN-83/B-03010- Ściany oporowe. Obliczenia statyczne i projektowanie
Dz. U. z dnia 10 lipca 2003 r. nr 120 poz. 1126
Rozporządzenie ministra infrastruktury z dnia 23 czerwca 2003 r. w sprawie informacji dotyczącej bezpieczeństwa i ochrony zdrowia oraz planu bezpieczeństwa i ochrony zdrowia
Rozporządzenie ministra infrastruktury z dnia 3 lipca 2003 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego. Dz. U. z dnia 10 lipca 2003 Nr 120 poz. 1133
http://www.pg.gda.pl/~mcud
http://www.pg.gda.pl/~tbrzo
1.4 Lokalizacja obiektu
Projektowany obiekt zostanie zastosowany w celu podtrzymania nasypu w trakcie budowy domku jednorodzinnego w Mostach Złote Piaski.
1.5 Warunki gruntowe i wodne
Grunt na którym zostanie posadowiony obiekt jest uwarstwiony.
-Piasek pylasty Ppyl ID=0,32 o miąższości 2,2 m
-Piasek gruby Pr ID=0,58 o miąższości 3,0 i sięgający do 5,2m
-Glina piaszczysta Gp IL=0,11 zalegająca do 6,9m za
-Piasek średni Ps ID=0,63
W gruncie występują dwa zwierciadła wody , pierwsze na głębokości 2,8 m p.p.t a drugie na głębokości 7,5m p.p.t
1.6 Stan istniejący
Na terenie budowy znajduje się garaż blaszany przeznaczony do rozbiórki. Działka jest nieuzbrojona. Najbliższy zabudowania znajdują się ponad 900m od granicy budowy. Jedynymi robotami przygotowującymi teren pod inwestycje będą prace rozbiórkowe garażu.
1.7 Opis konstrukcji
1.7.1 Ogólna charakterystyka konstrukcji
Konstrukcja została zaprojektowana na działanie sił parcia oraz odporu pochodzących od gruntu oraz wody, oraz na obciążenie naziomu wynoszące 16 kPa/mb.
1.7.2 Opis poszczególnych elementów konstrukcji
Całkowita długość ścianki szczelnej wynosi 7,5 m, natomiast zagłębienie poniżej dolnego naziomu wynosi 2,3m. Została zaprojektowana jako jednokrotnie zakotwiona, wolnopodparta. Brusy wykonano o profilu firmy Arcelor typu PU6 ze stali St3SX. Zakotwienie jest blokowe(wymiary bloku -1,5x1,2x2,2[m]), rozstaw między ściągami wynosi 2,4m, śruby zastosowano M30. Kleszcze wykonano z ceowników C200 ze stali St3W.
1.7.3 Opis obliczeń statycznych
Ścianka została zaprojektowana jako jednokrotnie zakotwiona w gruncie, wykonania z brusów stalowych. Zakotwienie w postaci ściągu znajduje się 1,5 m pod powierzchnią górnego naziomu. Ściąg przenosi siłę kotwienia na zastosowany blok kotwiący. Utrzymanie ściągów oraz równomierny rozkład siły na każdy z nich uzyskano dzięki zastosowaniu kleszczy.
W projekcie zostały policzone metodą analityczną dwa schematy statyczne dołem wolno podparta oraz dołem utwierdzona ścianka szczelna. Wymiarowanie elementów takich jak kleszcze czy śruby posłużono się obliczeniami wytrzymałościowymi. Obliczenie stateczności ścianki policzono za pomocą metody Kranza.
1.8 Technologia wykonania
Ściankę mocuje się w gruncie poprzez wbijanie. Wbijanie ścianki zaczyna się od narożnika. Brusy wbija się po 2 sztuki na odcinku wytyczonym drewnianymi prowadnicami ułożonymi na ziemi o rozstawie równym wielokrotności szerokości brusu. Do wbijania najlepiej wykorzystać 2 ubijaki zwane kafarami. Jeden wbija brusy na 2 ÷ 4 m, drugi w odstępie 4 ÷ 5 m za pierwszym wbija na głębokość właściwą. Dzięki temu likwidujemy w gruncie zbędne naprężenia.
Gdy ostatni brus zostanie wbity, należy wykonać odkop po obu stronach profilu tuż przy ściance na 1,5 m w celu zamocowania kleszczy, które składają się z dwóch ceowników C 200. Do zamocowania należy zastosować śruby M30 klasy 5.6. Grunt z wykopu należy wykorzystać jako grunt zasypowy. W odstępach co 2,4 m mocuje się ściąg wykonany z pręta o średnicy Φ50 mm. Na ściąg należy założyć nakrętki napinające (śruby rzymskie). Po zamocowaniu ściągu należy zasypać oczep oraz zagęścić grunt. Za pomocą śruby zaciąga się ściąg. Grunt zasypujemy dopiero wtedy gdy wystąpi dostateczny opór.
1.9 Informacja bezpieczeństwa i ochrony zdrowia BIOZ
Roboty budowlane mogą stworzyć szczególne wysokie ryzyko powstania zagrożenia bezpieczeństwa i zdrowia ludzi, w szczególności przez przysypanie ziemią, upadku z wysokości czy montażu ciężkich elementów konstrukcyjnych.
Szkolenie BHP przeprowadza kierownik budowy.
1.10 Uwagi
Większość obliczeń wykonywana była w programie AutoCad Civil 3D 2010, między innymi policzenie pól w metodzie Kranza, ramienia działania sil czy odczytanie konkretnych wartości na wykresach.
2.Ustalenie parametrów geotechnicznych wg PN-81/B-03020
Do obliczeń przyjęto poniższe wzory:
n=[ρs(1+wn)-ρ]/[ρs(1+wn)]
ρ'=(1-n)(ρs-ρw)
γ=ρg
γ'=ρ'g
przyjęto :
ρw=1 [g/cm3]
g=10 [m/s2]
3.0 Obliczenia statyczne
Obliczenie parcia gruntu:
Współczynnik parcia: (dokładność do drugiego miejsca po przecinku, obliczenia na podstawie arkusza kalkulacyjnego na stronie domowej dr inż. Marcina Cudnego http://pg.gda.pl/~mcud/ )
Warstwa I
φ=Ø1=29,2° δa=0,0 δp=0,0 α=0,0 β=0,0
Ka1=0,34
Warstwa II
φ=Ø2=33,7° δa=0,0 δp=0,0 α=0,0 β=0,0
Ka2=0,29
Warstwa III
φ=Ø3=21,9° δa=0,0 δp=0,0 α=0,0 β=0,0
Ka3=0,46
Warstwa IV
φ=Ø4=33,9° δa=0,0 δp=0,0 α=0,0 β=0,0
Ka4=0,28
Jednostkowe parcie graniczne:
Punkt 1
ea1=q* Ka1=16*0,34=5,44 kPa
Punkt 2
ea2(górne)=(q+17*h1)* Ka1=(16+17*2,2)*0,34=18,156 kPa
ea2(dolne)=(q+17*h1)* Ka2=(16+17*2,2)*0,29=15,486 kPa
Punkt 3 -poziom wody gruntowej gdzie m= a-h1=2,8-2,2=0,6m
ea3= (q+17*h1+ 18,5*m)*Ka2=( 16+17*2,2+18,5*0,6 )*0,29=18,705 kPa
Punkt 4 gdzie m=a-h1=2,8-2,2=0,6m ; n=h2-m=3,0-0,6=2,4m
ea4(górne)=(q+17*h1+ 18,5*m+ 11,12*n)*Ka2
ea4(górne)=(16+17*2,2+18,5*0,6+11,12*2,4)*0,29=26,445 kPa
ea4(dolne)=(q+17*h1+ 18,5*m+ 11,12*n)*Ka3-2c* (Ka3 ) 0,5 =
=(16+17*2,2+18,5*0,6+11,12*2,4)*0,46-2*15,5*0,460,5=41,946kPa-21,03kPa=20,916kPa
Punkt 5
ea5(górne)=(q+17*h1+ 18,5*m+ 11,12*n+12,29*h3)*Ka3 -2c* (Ka3 ) 0,5 =
(16+17*2,2+18,5*0,6+11,12*2,4+12,29*1,7)*0,46 - 2*15,5*0,460,5=51,557 kPa-21,025 kPa=30,532 kPa
ea5(dolne)=(q+17*h1+ 18,5*m+ 11,12*n+12,29*h3)*Ka4=
(16+17*2,2+18,5*0,6+11,12*2,4+12,29*1,7)*0,28=31,383 kPa
Punkt 7 h4=2,3m
ea7=(q+ 17*h1+ 18,5*m+ 11,12*n+12,29*h3+11,12*h4)=
=( 16+17*2,2+18,5*0,6+11,12*2,4+12,29*1,7+11,12*2,3)*0,28=38,544 kPa
Obliczenia parcia wody:
∆hw=H+d-a=5,2+2,3-2,8=4,7m γw = 9,81
ew (max) = γw*∆hw=9,81*4,7=46,107 kPa
punkt 3 ew3=0 kPa
punkt 4 n=2,4m ew4=γw*n=9,81*2,4=23,544 kPa
punkt 5 ew5=γw*(n+h3)=9,81*4,1=40,221 kPa
punkt 6 ew6=γw*∆hw=9,81*4,7=46,107 kPa
punkt 7 ew7= ew6=46,107 kPa
Obliczenie odporu:
Współczynnik odporu:(dokładność do drugiego miejsca po przecinku, obliczenia na podstawie arkusza kalkulacyjnego na stronie domowej dr inż. Marcina Cudnego http://pg.gda.pl/~mcud/ )
Warstwa III
φ=Ø3=21,9° δa=0,0 δp=- Ø3 = -21,9° α=0,0 β=0,0 η=0,7
Kp3=3,86
Kph3= =η*Kp3*cosδp=0,7*3,86*cos(-21,9)=2,507
Warstwa IV
φ=Ø4=33,9° δa=0,0 δp=- Ø3= -33,9°/2=-16,95° α=0,0 β=0,0 η=0,85
Kp4=6,42
Kph4= =η*Kp4*cosδp=0,85*6,42*cos(-16,95)=5,22
Jednostkowy odpór:
c*=0,5c
Punkt 4 ep4=2c* (Kph3)0,5=2*0,5*15,5*2,5070,5=24,542 kPa
Punkt 5 ep5(górne)=22*h3*Kph3 +2c*Kph3 0,5=
22*1,7*2,507+2*0,5*15,5*2,5070,5=118,304 kPa
ep5(dolne)=22*h3*Kph4=22*1,7*5,22=195,228 kPa
Punkt 6 ep6=(22*h3+18,5*(d-h3))*Kph4=(22*1,7+18,5*0,6)*5,22=253,17kPa
Punkt 7 d'=1,7m
ep6=(22*h3+18,5*(d-h3)+11,12*d')*Kph4=
(22*1,7+18,5*0,6+11,12*1,7)*5,22=351,849 kPa
3.1 Ścianka jednokrotnie zakotwiona, wolnopodparta
Wypadkowe parcia (wykres w załącznikach)
Ea1=25,956kN/m rA1a=0,202m
Ea2=10,257kN/m rA2a=1,009m
Ea3=82,433kN/m rA3a=2,682m
Ea4=4,998kN/m rA4a=3,867m
Ep1=28,486kN/m rA1p=5,0m
Miejsce zerowania się parcia i odporu: u=0,502m
Podpora 1,5 poniżej górnego naziomu
Ep*=(173,8119-123,624)/0,6x*0,5x+123,624x=41,823x2+123,624x
Obliczenie zagłębienia ścianki:
∑MA=0 →
- Ea1* rA1a+ Ea2* rA2a+ Ea3* rA3a+ Ea4* rA4a- Ep1* rA1p-41,823x2(3,7+0,502+2/3x)-123,624x(3,7+0,502+0,5x)=0
-25,956*0,202+10,257*1,009+82,433*2,682+4,998*3,867-28,486*5-41,823x2(3,7+0,502+2/3x)-123,624x(3,7+0,502+0,5x)=0
103,089-175,74x2-27,882x3-519,468x-61,812x2=0
-27,882x3-237,552x2-519,468x+103,089=0
Metodą kolejnych przybliżeń obliczono x:
x=0,2 -10,53≠0
x=0,1 48,74≠0
x=0,183 -0,1≈
t=1,17+0,183=1,883m
tr=1,2*t=1,2*1,883=2,26m przyjęto zagłębienie 2,3m
Ep*=41,823*0,1832+123,624*0,183=[1,4+22,44] kN/m
RA=25,956+10,257+82,433+4,998-28,486-1,4-22,44=71,318 kN/m
Obliczenia maksymalnego momentu
gdy T=0, to Mmax
RA- Ea1- Ea2-18,705xm-(49,989-18,705)/2,4xm*0,5xm=0
71,318-25,956-10,257-18,705xm-(49,989-18,705)/2,4xm*0,5xm=0
35,105-18,705xm-6,5175xm2=0
-6,5175xm2-18,705xm+35,105=0
∆=1265,064 √∆=35,568
xm=(18,705-35,568)/-2*6,5175=1,294m
Mmax=71,318(5,2-1,5-2,4+1,294)-25,956*2,796-10,257*1,585-24,204*0,647-16,373*0,431=73,452 kNm/mb
Mrmax=1,25*Mmax=1,25*73,452=91,815kNm/mb
3.2 Ściana jednokrotnie zakotwiona, utwierdzona
Podpora 1,5 poniżej górnego naziomu
Wypadkowe parcia (wykres w załącznikach)
Ea1=25,956kN/m rA1a=0,202m
Ea2=10,257kN/m rA2a=1,009m
Ea3=82,433kN/m rA3a=2,682m
Ea4=4,998kN/m rA4a=3,867m
Ep1=28,486kN/m rA1p=5,0m
Miejsce zerowania się parcia i odporu: u=0,502m
Obliczenie reakcji podporowe RB
∑MA=0 → -Ea1* rA1a+ Ea2*rA2a+ Ea3* rA3a+ Ea4* rA4a- RB(0,502+3,7)=0
-25,956*0,202+10,257*1,009+82,433*2,682+4,998*3,867-RB(0,502+3,7)=0
245,519=RB*4,202
RB=58,429kN/m
Obliczenie rekacji RA
∑Px=0 → Ea1+ Ea2+ Ea3+ Ea4- RB-RA=0
25,956+10,257+82,433+4,998-58,429-RA=0
RA=65,215kN/m
Obliczenia maksymalnego momentu dla górnej części belki ( M1max )
gdy T=0 , to M1max
Ea1- RA+ Ea2+18,705*xm+(49,989-18,705)/2,4*xm*0,5*xm=0
25,956-65,215+10,257+18,705*xm+(49,989-18,705)/2,4*xm*0,5*xm=0
-29,002+18,705xm+18,705xm+6,5175xm2=0
6,5175xm2+18,705xm-29,002=0
∆=349,877+4*6,5175*29,002=1105,959 √∆=33,256
xm= (-18,705+33,256)/2*6,5175=1,12m
M1max=65,215(3,7-2,4+1,12)-25,956*2,62-10,257*1,41-18,705*1,12*0,5*1,12-6,5175*1,122*1/3*1,12=157,82-68-14,46-11,73-3,05=60,58kNm/mb
M1maxr=1,25*M1max=1,25*60,58=75,725kNm/mb
Obliczenia zagłębienia ścianki:
-RB(1,198+0,6+x)+28,486(0,999+x)+(173,8119-123,624)*0,6*0,5(1/3*0,6+x)+ +123,624*0,6(0,3+x)+(267,198-173,8119)/1,7*x*0,5*x*1/3*x+173,8119*x*05*x=0
-105,055-58,429x+28,458+28,486+3,011+15,056x+22,252+74,174x+9,1555x3+86,906x2=0
9,1555x3+86,906x2+59,287x-51,334=0
Metodą kolejnych przybliżeń obliczono x:
x=0,3 -25,479≠0
x=0,5 1,18≠0
x=0,49 -0,34≈0
t=2,3+0,49=2,79
tr=1,2*2,79=3,348 przyjęto zagłębienie na 3,4m
Obliczenie drugiego momentu maksymalnego, dla dolnej części belki (M2max)
Gdy T=0 , to M2max
Ep1+Ep2+123,624xm+(173,8119-123,624)/0,6*xm*0,5xm- RB=0
28,486+89,23+123,624xm+(173,8119-123,624)/0,6*xm*0,5xm-58,429=0
-29,943+123,624xm+41,823xm2=0
41,823xm2+123,624xm-29,943=0
√∆=142,45
xm = (-123,624+142,45)/2*41,823=0,225m
M2max=-58,429*1,423+28,486(0,399+0,225)+123,624*0,225*0,5*0,225+(173,8119-123,624)/0,6*0,225*0,5*0,225*1/3*0,225=-83,144+17,775+3,129+0,159=-62,081kNm/mb
M2maxr=1,25*M2max=1,25*62,081=77,601 kNm/mb
4.0 Wymiarowanie elementów ścianki
4.1Wymiarowanie brusów ścianki
Mmax=91,815 kNm/mb
Przyjęto stal St3SX → fd=195MPa=19,5 kN/cm2
σ= Mmax/ Wx≤ fd
Wx≥Mmax/fd
Mmax/fd=9181,5kNcm/cm2/19,5kNcm2=470,85cm3
Dla profilu PU 6 Wx=600 cm3
Wx=600 cm3≥470,85cm3
Przyjęto profil firmy Arcelor typu PU 6 , stal typu St3SX
4.2 Wymiarowanie kleszczy na zginanie
ls=2,4m , S=71,318kN ,
przyjęto stal St3W → fd=205MPa=20,5 kN/cm2
s= S/ls=71,318kN/m/2,4m=29,716kN/m
Mmax=0,1s(2ls)2=0,1*29,716kN/m(2*2,4m)2=68,466kNm/mb
σ= Mmax/ Wx≤ fd
Wx≥Mmax/fd
Mmax/fd=6846,6/20,5=333,98cm3
Dla kleszczy C 200 Wx=2*191cm3=382cm3
Wx=382cm3≥333,98cm3
Przyjęto 2 kleszcze ceowe C200 ze stali St3W
4.3 Wymiarowanie śruby
Rm=500MPa , Re=380MPa , S=71,318kN/m*2,4m=171,1632kN
σ= S/A≤ σdop
σdop =min{0,65* Rm;0,85* Re }= min{0,65* 500MPa;0,85* 380MPa }=323 MPa
σ=171,1632kN/A≤323 MPa
dla śruby M30 A=5,61cm3=5,61*10-4m2
σ=171,1632/8,17*10-4=305103,74kN/m2≈305,104MPa≤ σdop=323 MPa
Przyjęto śrube M30 A=5,61cm2; klasy 5,6
5.0 Obliczenia zakotwienia ścianki
Dane: a=2,4m ; γ=17kN/m3 ; γb=24kN/m3 ; Ф=29,2° H=2,1m ; h=1,2m; h1=H-h=0,9m
Kph=ηKpcosδp , gdzie η=0,85 cos δp=cos14,6°=0,97
Kph=0,85*4,57*0,97=3,77
ep1=γh1Kph=17*0,9*3,77=57,681kPa
ep2=γHKph=17*2,1*3,77=134,589kPa
H/h=2,1/1,2=1,75 → β=2,25( na podstawie tabl.2) bz=b*β=1,2m*2,25=2,7m ; a=2,4m
bz≥a → 2,7m≥2,4m
Q1=Eph= (ep1 + ep2 )/2*h*a=(57,681+134,589)/2*1.2*2,4=276,869kN
ea0=5,44kPa , Ka1=0,34→ wartość z początkowych obliczeń
ea1= ea0 + h1γ Ka1=5,44+0,9*17*0,34=10,642kPa
ea2= ea0 +Hγ Ka1=5,44+2,1*17*0,34=17,578kPa
Q2=Ea= (ea1+ ea2)/2*h*b= (10,642+17,578)/2*1,2*1,2=20,3184kN
Q3=G1tgδ → W moich obliczeniach przyjmuje Q3=0
Ciężar gruntu nad blokiem:
G1=h1*l*b* γ=0,9*1,5*1,2*17=27,54kN
Ciężar bloku:
G2=h*b*l* γb =1,2*1,2*1,5*24=51,84kN
Q4=(G1+G2)tgδ=(27,54+51,84)tg29,2/2=20,639kN
Ko=1-sinФ=0,512 ; tgδ=tg(Ф/2)
Eo= γ *(H-h)/2* Ko*h*l =17*(2,1+1,2)/2*0,512*1,2*1,5=25,851kN
Q5=Eo tgδ=25,851*0,26=6,721kN
Zdolność kotwiąca:
Qc= Q1- Q2+ Q3 + Q4+2 Q5= 276,869-20,3184+20,639+2*6,721=290,6316kN
S=RA*a=71,318*2,4=171,1632kN
Warunek : S≤0,8 Qc
171,1632≤232,505kN → warunek spełniony
6.0 Obliczenia stateczności ogólnej
P5=1,06m*16kPa = 16,96
P4=2,99m*16 kPa=47,84
P3=4,23m*16 kPa=67,68
P2=1,06m*16 kPa=16,96
P1=0,18m*16 kPa=2,88
G5=0,32m2*11,12kN/m3+1,8m2*12,29 kN/m3+2,54m2*11,12 kN/m3+0,63m2*18,5 kN/m3+2,32m2*17 kN/m3=105,0202kN/m
G4=2,55m2*12,29 kN/m3+7,2m2*11,12 kN/m3+1,8m2*18,5 kN/m3+6,6m2*17kN/m3=
=256,9035kN/m
G3=5,07m2*11,12kN/m3+2,5m2*18,5kN/m3+0,334m2*24kN/m3+8,99m2*17kN/m3=
=207,552kN/m
G2=0,32m2*18,5kN/m3+1,27m2*24kN/m3+(0,95+0,11)m2*17kN/m3=54,42kN/m
G1=(0,0088+0,16)m2*17kN/m3+0,21m2*24kN/m3=7,9096kN/m
P5+ G5=121,9802kN/m
P4+ G4=304,7435kN/m
P3+ G3=275,232kN/m
P2+ G2=71,38kN/m
P1+ G1=10,876kN/m
Ea=261kN/m ; Ea1=24,17kN/m
C=(l*c')/sinv=3,44m*15kPa/0,866=59,58kN/m
Sdop=281kN/m ; S=71,318kN/m
Warunek:
S≤0,8* Sdop
71,318kN/m ≤ 224,8kN/m→ warunek spełniony
3