Projektowanie geotechniczne w świetle przepisów norm światowych i europejskich
Transcript of Projektowanie geotechniczne w świetle przepisów norm światowych i europejskich
Projektowanie geotechniczne w świetle przepisów norm światowych i
europejskich
Dr inż. Włodzimierz Cichy – Politechnika Gdańska
Normalizacja europejska stanowi dla polskich konstruktorów budowlanych bardzo duże
wyzwanie. Zespół norm wchodzących w zakres dziesięciu Eurokodów (dodatkowy Eurokod 0
Basis of design) liczy kilka tysięcy stron formatu A4. Eurokody, oprócz zaleceń dotyczących
obliczeń konstrukcyjnych, zawierają bardzo dużo zaleceń z zakresu tak zwanej „sztuki
inżynierskiej” (po francusku l’art d’ingénieur). Po wielu latach doświadczeń przekonano się,
że o bezpieczeństwie konstrukcji budowlanych w równym stopniu decydują obliczenia
konstrukcyjne, jak i zespół praktycznych doświadczeń zdobytych dotychczas w konkretnej
dziedzinie konstrukcji budowlanych. Stąd tak bardzo rozbudowana część opisowa norm
europejskich. Normy europejskie stanowią więc rodzaj bardzo precyzyjnych przewodników
dla konstruktora budowlanego. Różnica w stosunku do zwykłych przewodników polega na
dyrektywnym charakterze zaleceń normowych. Myli się jednak ten, który sądzi, że w
normach europejskich znajdzie gotowe recepty na wszystkie problemy związane z
projektowaniem konstrukcji budowlanych.
Do podstawowych norm geotechnicznych, opracowanych w ramach Eurokodu 7, należą:
a) ENV 1997 Part 1 Geotechnical design. General rules (Projektowanie geotechniczne.
Zalecenia ogólne), 1994 r.,
b) ENV 1997 Part 2 Geotechnical design assisted by laboratory testing. (Projektowanie
geotechniczne za pomocą badań laboratoryjnych), 1999 r.,
c) ENV 1997 Part 3 Geotechnical design by field testing. (Projektowanie geotechniczne za
pomocą badań polowych), 1999 r.,
Normami podstawowymi do projektowania geotechnicznego są również:
a) Pr EN 1990 Basis of design. (Podstawy projektowania),
b) PrEN 1991 Actions on structures. (Oddziaływania na konstrukcje),
c) EN 1992 Part 3 Design of concrete structures. Concrete foundations. (Projektowanie
konstrukcji betonowych. Fundamenty betonowe),
d) EN 1993 Part 5 Design of steel structures. Piling. (Projektowanie konstrukcji metalowych.
Fundamenty palowe),
e) EN 1998 Part 3 Design of structures for earthquake resistance. Foundations, retaining
structures and geotechnical aspects. (Projektowanie konstrukcji odpornych na trzęsienia
ziemi. Fundamenty, konstrukcje oporowe i aspekty geotechniczne).
Do tego dochodzą normy opracowane w ramach specjalnego komitetu TC288 – Execution of
special geotechnical works (Wykonawstwo specjalistycznych robót geotechnicznych):
a) EN 1536 Bored piles (Pale wiercone),
b) EN 1537 Ground anchors (Kotwy gruntowe),
c) EN 1538 Diaphragam walls (Ściany szczelinowe),
d) EN 12063 Sheet pile walls (Ścianki szczelne),
e) EN 12699 Displacement piles (Pale przemieszczeniowe),
f) EN 12715 Grouting (Iniekcja),
g) EN 12716 Jet grouting (Iniekcja strumieniowa),
h) EN 12794 Precast concrete foundation piles (Prefabrykowane pale betonowe),
i) EN 288008 Micropiles (Mikropale).
Wymienione wyżej normy obejmują wszystkie aspekty geotechniki i stanowią olbrzymi zasób
bardzo specjalistycznej wiedzy do opanowania (ponad tysiąc stron formatu A4). Stanowić to
będzie niewątpliwe wyzwanie dla konstruktorów budowlanych i geotechników.
Największym wyzwaniem będzie jednak dla konstruktorów budowlanych wprowadzenie
obliczeń konstrukcyjnych opartych na zasadach prawdopodobieństwa (lub niezawodności)
konstrukcji budowlanych. Bardzo dobrze się stało, że nie czekając na ustanowienie
odpowiedniej normy europejskiej (EN 1990) Polski Komitet Normalizacyjny wprowadził
latem tego roku do Polskich Norm normę PN-ISO 2394 „Ogólne zasady niezawodności
konstrukcji budowlanych”[2].
Wprawdzie norma ta nie jest jeszcze normą obowiązującą, wprowadza jednak konstruktora
budowlanego w nowe podejście do problemu bezpieczeństwa konstrukcji budowlanych,
zapewniające odpowiedni poziom ich niezawodności. Norma ta ma więc charakter
koncepcyjny i stanowi przewodnik dla Normalizacyjnych Komisji Problemowych, które
zajmują się problemami konstrukcyjnymi w budownictwie, w tym NKP Nr 254 ds.
Geotechniki. Ze względu na wprowadzenie nowych definicji i bardzo przejrzyste
potraktowanie problemu niezawodności konstrukcji budowlanych stanowi swego rodzaju
podręcznik, z którym powinien już teraz zapoznać się każdy konstruktor budowlany, aby
wiedzieć co go czeka za parę lat, kiedy Polska stanie się członkiem Wspólnoty Europejskiej.
Wprowadzenie problemu niezawodności do oceny bezpieczeństwa konstrukcji budowlanych
dla wielu polskich konstruktorów budowlanych nie powinno stanowić zaskoczenia. Wszak
2
już w połowie lat dziewięćdziesiątych ukazało się polskie tłumaczenie prenormy (normy
wprowadzonej do próbnego stosowania) europejskiej ENV 1991-1:1994 „Podstawy
projektowania i oddziaływania na konstrukcje. Część 1 Podstawy projektowania”[1]. Na
łamach czasopism specjalistycznych, w tym głównie „Inżynierii i Budownictwa”, ukazało się
też sporo artykułów poruszających tą tematykę. Jednak fakt wprowadzenia latem tego roku
normy PN-ISO 2394 stanowić powinien swego rodzaju przełom, podobny do tego, jaki
stanowiła w Polsce norma PN-76/B-03001 wprowadzająca powszechną zasadę obliczeń
konstrukcyjnych opartych na częściowych współczynnikach bezpieczeństwa.
Trudno będzie teraz odkładać problem niezawodności konstrukcji budowlanych do czasu
ukazania się normy europejskiej EN 1990 „Podstawy projektowania”. Jak widać chociażby z
numeracji wagę tego Eurokodu postanowiono pokreślić przez wyodrębnienie go z grupy norm
ENV 1991. Fakt, że dotychczas nie może się ukazać podstawowa norma europejska,
dotycząca projektowania konstrukcji budowlanych, wskazuje na brak jednomyślności wśród
krajów Wspólnoty co do celowości szybkiego wdrażania nowych zasad projektowania
konstrukcji budowlanych. Jednakże grubym błędem byłoby założenie, że proces ten potrwa
jeszcze wiele lat i tak naprawdę nas nie dotyczy. NKP Nr 102 ds. Podstaw projektowania
konstrukcji budowlanych, zajmująca się tymi zagadnieniami, bardzo dobrze sobie zdaje
sprawę z faktu nieuchronności wprowadzenia nowych zasad projektowania do normalizacji
europejskiej i dlatego już teraz wprowadziła do Polskich Norm normę PN-ISO 2394.
Zagadnienia niezawodności konstrukcji budowlanych dotyczą szczególnie tak zwanego
projektowania geotechnicznego. Jest to pojęcie, które dotychczas nie istniało w powszechnej
świadomości konstruktorów budowlanych. Zostało na początku lat dziewięćdziesiątych
zdefiniowane przez autorów pierwszego projektu Eurokodu 7 „Geotechnical design”.
Zarówno w polskim prawie budowlanym, jak i w normalizacji, trudno znaleźć definicję tego
pojęcia. Stwierdzenie, że projektowanie geotechniczne polega na projektowaniu
fundamentów konstrukcji budowlanych jest nadmiernym uproszczeniem i narusza w sposób
wyraźny dotychczas ustalone kompetencje konstruktora budowlanego.
Projektowanie geotechniczne jest pojęciem znacznie wychodzącym poza zakres samych
obliczeń fundamentów konstrukcji, chociaż szczególnie w przypadku konstrukcji należących
do trzeciej kategorii geotechnicznej na pewno dotyczy również projektowania fundamentów
konstrukcji.
Na rys. 1 przedstawiono schemat projektowania geotechnicznego, przedstawiający wzajemne
powiązania poszczególnych elementów tego projektowania. Do podstawowych elementów
należą:
3
Rys.1. Projektowanie geotechniczne
a) prawo budowlane, normy i instrukcje projektowania,
b) wiercenia oraz badania polowe i laboratoryjne gruntów,
c) ustalenie obciążeń i geometrii układu konstrukcyjnego: konstrukcja budowlana – podłoże
gruntowe,
d) technologia wykonawstwa robót,
e) model obliczeń konstrukcyjnych,
f) zagadnienia ochrony środowiska w geotechnice,
4
g) geosyntetyki.
O tym, że istnieją liczne, bardziej lub mniej skomplikowane zależności między tymi
elementami projektowania geotechnicznego nie trzeba nikogo przekonywać.
Najważniejszymi elementami tego schematu są wpływy przyjętego modelu obliczeniowego,
rodzaju obciążeń działających na podłoże, ograniczeń ruchu konstrukcji, sposobu
wykonawstwa i oczywiście norm i instrukcji na sposób badań laboratoryjnych i polowych
gruntu. We współczesnej geotechnice niemożliwe jest prawidłowe rozpoznanie podłoża
gruntowego bez wcześniejszych uzgodnień między geotechnikiem, geologiem inżynierskim i
konstruktorem obiektu budowlanego. Niestety praktyka w tej dziedzinie w Polsce pozostawia
wiele do życzenia.
Innym istotnym elementem jest wybór modelu obliczeniowego. Jeżeli chcemy sprawdzić
zachowanie się konstrukcji we wszystkich fazach wznoszenia i eksploatacji nie jest możliwe
zbudowanie modelu obliczeniowego bez metod numerycznych, a te z kolei stawiają bardzo
ostre wymagania co do sposobu przeprowadzania badań gruntu. Oddziaływania
środowiskowe stanowią przedmiot bardzo prężnie rozwijającej się w ostatniej dekadzie, tak
zwanej geotechniki środowiskowej. Podstawą tej dziedziny jest ograniczenie wpływów
środowiska gruntowego na konstrukcje budowlane, ale również wpływu konstrukcji
budowlanych na środowisko gruntowe. Równie prężnie rozwija się w ramach geotechniki
dziedzina geosyntetyków - nowoczesnych, syntetycznych wyrobów budowlanych
współpracujących bezpośrednio z gruntem.
Zacznijmy jednak od prawa budowlanego. Pojęcie geotechniki z dużym wysiłkiem
przecierało sobie drogę do polskiego prawa budowlanego. Krokiem milowym jest tu
rozporządzenie MSWiA z 24 września 1998 r.[6] w sprawie ustalania tak zwanych warunków
geotechnicznych posadowienia obiektów budowlanych. Rozporządzenie to przybliża
niewątpliwie polskie prawo budowlane do normalizacji europejskiej w zakresie projektowania
geotechnicznego, a tym samym do spełnienia podstawowego warunku koordynacji prawa i
normalizacji europejskiej sformułowanego w Dyrektywie 83/189/EEC [5]. Niestety
rozporządzenie to jest kontestowane z różnych stron i podejmowane są próby cofnięcia prawa
wstecz. Wydaje się to jednak niemożliwe w świetle przedstawionych w niniejszym artykule
faktów. Normalizacja europejska jest tutaj jak najbardziej niezaprzeczalnym faktem i nie da
się już cofnąć metod projektowania geotechnicznego o kilkadziesiąt lat wstecz.
W rozporządzeniu z września 1998 r. po raz pierwszy sformułowano pojęcie kategorii
geotechnicznej obiektu budowlanego, która określa niejako stopień trudności projektowania
geotechnicznego w zależności od stopnia skomplikowania warunków gruntowych, ale i od
5
stopnia złożoności konstrukcji samego obiektu budowlanego. Wprowadzono trzy kategorie
geotechniczne. Ze względu jednak na brak w prawie budowlanym takich podstawowych
pojęć jak geotechnika, projektowanie geotechniczne i geotechnik trudno było, w sposób nie
budzący wątpliwości prawnych, ustalić kompetencje osób zaliczających dany obiekt
budowlany do danej kategorii geotechnicznej. Biorąc pod uwagę tylko i wyłącznie racje
merytoryczne powinien to być na pewno geotechnik z przygotowaniem konstrukcyjnym.
W celu prawidłowego, wyjściowego określenia kategorii geotechnicznej obiektu
budowlanego potrzebna jest bezpośrednia współpraca geotechnika z geologiem inżynierskim i
konstruktorem obiektu budowlanego. Kategoria geotechniczna obiektu budowlanego może
jednak ulec zmianie w poszczególnych etapach projektowania i wykonawstwa obiektu
budowlanego, kiedy okaże się, że przyjęte pierwotnie założenia co do stopnia
skomplikowania warunków gruntowych uległy zmianie.
Tymczasem zakres prowadzonych badań geologiczno-inżynierskich i geotechnicznych
podłoża gruntowego zależy w dużym stopniu od przyjętej kategorii geotechnicznej obiektu
budowlanego. Stąd bardzo istotną rolę odgrywać będą badania wstępne podłoża gruntowego.
Projekt badań wstępnych powinien być uzgodniony z posiadającym odpowiednie
doświadczenie geotechnikiem, który jest w stanie określić strefę wzajemnego oddziaływania
konstrukcji z podłożem gruntowym. W ten sposób uniknie się wielu projektów badań, w
których głębokość wierceń przyjmuje się na miarę możliwości przedsiębiorstwa
geologicznego, a nie rzeczywistych potrzeb projektowania geotechnicznego konstrukcji. Jako
przykład można podać wiercenia do 3 lub 4 m głębokości w przypadku fundamentów
zbiornika o 20 - metrowej średnicy. Jeszcze gorzej to wygląda w przypadku konieczności
posadowienia fundamentu tego zbiornika na 20 metrowych palach.
Są powszechnie znane naciski inwestora (lub działającego w jego imieniu architekta
budowlanego) w celu wprowadzania drastycznych oszczędności w zakresie badań
geologiczno-inżynierskich i geotechnicznych. Otóż taka opinia geotechniczna do projektu
badań geologiczno-inżynierskich mogłaby ustalić ścisłą zależność bezpieczeństwa
projektowanego obiektu budowlanego od zakresu wykonywanych badań, zarówno
geologiczno-inżynierskich jak i geotechnicznych, podłoża gruntowego. Opinia taka wydaje
się niezbędna szczególnie w przypadku obiektów trzeciej kategorii geotechnicznej.
Bardzo ważny jest nie tylko zasięg badań, ale również sposób pobierania, wielkość i rodzaj
próbek do badań laboratoryjnych oraz rodzaje badań „in situ” niezbędnych do prawidłowego
rozpoznania podłoża gruntowego. Sposób pobierania próbek ma ogromny wpływ na wyniki
badań gruntów słabych. Tymczasem powszechna praktyka pobierania próbek do stalowych
6
gilz prowadzi do naruszenia delikatnej struktury gruntu i w rezultacie otrzymuje się wyniki
znacznie odbiegające od rzeczywistości. Powszechne wprowadzenie do praktyki budowlanej,
szczególnie w przypadku gruntów spoistych i organicznych, sondowań statycznych z
bezpośrednim pomiarem ciśnienia wody w porach gruntu (CPTU) powinno nie tylko ułatwić
wyprowadzenie parametrów obliczeniowych gruntu, ale w równie istotnym stopniu ułatwić
ustalenie prawidłowego zasięgu warstw geotechnicznych złożonych z gruntów o podobnych
właściwościach wytrzymałościowych. Uniknie się wtedy wcale nie rzadkich sytuacji, kiedy
projektant konstrukcji otrzymuje dokumentację geologiczno-inżynierską z wydzielonymi
dwudziestoma warstwami geotechnicznymi. Dla geotechnika mniejsze znaczenie ma bowiem
ścisłe określenie rodzaju badanego gruntu, natomiast podstawowe znaczenie ma zasięg
warstw geotechnicznych o podobnych właściwościach wytrzymałościowych. Czy konstruktor
budowlany jest w stanie sam poradzić sobie z tym problemem?
Niezwykle istotną zmianą wprowadzaną przez normy europejskie jest zasada obliczeń
posadowienia konstrukcji budowlanych w naprężeniach efektywnych, czyli na podstawie
efektywnych wartości kąta tarcia wewnętrznego Φ’ i spójności c’ gruntu. Obliczenia w
naprężeniach całkowitych, przy wykorzystaniu wytrzymałościowych parametrów całkowitych
Φ i c, są jedynie wyjątkiem od tej reguły. Potwierdzenie tej reguły znajdujemy już w
najnowszych podręcznikach geotechnicznych, na przykład w Grundbau –Taschenbuch [4].
Wprowadzenie tej zasady będzie miało istotny wpływ na sposób przeprowadzania badań
laboratoryjnych parametrów podłoża gruntowego. Bowiem sposób przeprowadzania badania
będzie w olbrzymim stopniu zależał od sposobu przekazywania obciążenia z fundamentu na
podłoże (statyczne, dynamiczne lub cykliczne), zakresu naprężeń, stopnia skonsolidowania i
stopnia nasycenia badanego gruntu, przewidywanego zakresu zmian ciśnienia wody w porach
gruntu, czasu trwania badania oraz technologii wykonywania fundamentu konstrukcji. Udział
geotechnika w planowaniu zakresu i sposobu przeprowadzania badań geotechnicznych
podłoża będzie w tej sytuacji niezbędny.
W tym miejscu należy ustosunkować się do dotychczasowej praktyki ustalania parametrów
geotechnicznych podłoża gruntowego. Otóż najczęściej polega ona na przeprowadzeniu
sondowań dynamicznych w terenie i ustaleniu na podstawie liczby uderzeń stopnia
zagęszczenia ID lub stopnia plastyczności IL badanego gruntu, a następnie odczytywaniu z
wykresów w normie PN-81/B-03020, tak zwanych parametrów Φu i cu podłoża gruntowego.
O ile takie postępowanie nie ma większego wpływu na bezpieczeństwo realizowanego
obiektu w przypadku jednorodnych, średniozagęszczonych, zagęszczonych i bardzo
zagęszczonych gruntów niespoistych oraz twardoplastycznych, półzwartych i zwartych
7
gruntów spoistych (pod warunkiem, że zwierciadło wody gruntowej występuje poniżej
poziomu posadowienia), to w przypadku pozostałych gruntów jednorodnych i uwarstwionych
takie postępowanie prowadzi do mniej lub bardziej niebezpiecznych sytuacji awaryjnych na
budowie, a w niektórych przypadkach wręcz do katastrof budowlanych. Spotkałem się
niestety w swojej praktyce z wyznaczaniem obliczeniowych parametrów geotechnicznych
gruntów organicznych na podstawie książek i podręczników nawet w przypadku obiektów
trzeciej kategorii geotechnicznej. Dane takie mogą być bardzo przydatne przy określaniu
reprezentatywnych wartości obliczeniowych parametrów gruntowych, ale podstawą muszą
być zawsze badania laboratoryjne gruntów organicznych.
Istnieje również tak zwana „druga strona medalu”, to znaczy skutki ekonomiczne
wprowadzenia efektywnych parametrów wytrzymałościowych gruntu do projektowania
geotechnicznego. Otóż parametry Φu i cu w PN-81/B-03020 nie mają nic wspólnego z
rzeczywistymi parametrami Φ’ i c’ gruntu. Są od nich znacznie niższe, nie mówiąc już o tym,
że są w niektórych wypadkach niższe od parametrów całkowitych Φ i c. Są to raczej
parametry wyprowadzone na podstawie tak zwanej analizy wstecznej z wartości naprężeń
dopuszczalnych, czyli dobrze znanym geotechnikom wartości k2. Parametry te same w sobie
zawierają duży zapas bezpieczeństwa, a norma PN-81/B-03020 dodatkowo wprowadziła do
nich częściowy współczynnik bezpieczeństwa, tak zwany współczynnik materiałowy γm,
który najczęściej przyjmował w obliczeniach geotechnicznych wartość 0.9. Stąd wartość
obliczeniową parametru geotechnicznego wyprowadza się z następującej zależności:
X(r) = γm X(n)
Tymczasem norma europejska wprowadza zupełnie inne częściowe współczynniki
bezpieczeństwa do efektywnych, wytrzymałościowych parametrów gruntu:
- w przypadku efektywnego kąta tarcia wewnętrznego gruntu,
- w przypadku efektywnej spójności gruntu
Oznacza to w rzeczywistości znaczne zwiększenie częściowych współczynników
materiałowych. Na szczęście w ostatnim projekcie normy europejskiej zmniejszono
8
współczynnik materiałowy dla spójności gruntu do 1.25. Nie zmienia to jednak faktu, że bez
laboratoryjnego badania efektywnych parametrów wytrzymałościowych gruntów trudno
będzie uzyskać, porównywalny do uzyskiwanego na podstawie PN-81/B-03020, efekt
ekonomiczny projektowania geotechnicznego fundamentów.
W projekcie normy europejskiej ENV 1997-1 nie ma żadnych zestawień tabelarycznych, czy
też wykresów parametrów geotechnicznych gruntu. Wynika to z prostego rachunku
ekonomicznego, ale też z właściwej oceny niezawodności konstrukcji budowlanej.
Uproszczone metody badań parametrów geotechnicznych podłoża prowadzą z reguły do
przewymiarowania fundamentów konstrukcji, jeżeli chcemy zachować porównywalny stopień
jej niezawodności.
Zagadnieniom wyznaczania obliczeniowych parametrów wytrzymałościowych gruntu
poświęcono w artykule dużo miejsca, gdyż one będą decydować w dużym stopniu o
określeniu właściwego stopnia niezawodności projektowanej konstrukcji. Metody obliczeń
nośności i przemieszczeń podłoża gruntowego są ogólnie znane. Znany jest również poziom
dokładności poszczególnych metod obliczeniowych. Szerokie wprowadzanie metod
numerycznych (na przykład metoda elementu skończonego) pozwala na w miarę dokładne
modelowanie poszczególnych etapów wznoszenia i eksploatacji konstrukcji, umożliwiając
tym samym znacznie bardziej niezawodne projektowanie geotechniczne konstrukcji.
Najnowszy projekt normy europejskiej EN 1997-1 „Projektowanie geotechniczne. Zasady
ogólne” [3] wprowadza konieczność znacznie bardziej obszernej analizy stanów granicznych
nośności i użytkowalności fundamentów konstrukcji budowlanych. Wprowadzono
następujące, podstawowe stany graniczne nośności podłoża gruntowego:
a) STR – zniszczenie lub nadmierna deformacja fundamentów, w którym decydującą rolę
odgrywa wytrzymałość fundamentów lub elementów konstrukcji współpracujących z
podłożem gruntowym,
b) GEO - zniszczenie lub nadmierna deformacja podłoża gruntowego, w którym podstawowe
znaczenie ma wytrzymałość podłoża,
c) STA – utrata stateczności globalnej lub nadmierne deformacje gruntu, w którym również
decydujące są parametry wytrzymałościowe gruntu,
d) UPL – zniszczenie przez wypiętrzenie fundamentu, np. na skutek wyporu wody, gdzie
decydujące znaczenie ma ciężar konstrukcji,
e) HYD – zniszczenie spowodowane ciśnieniem spływowym (nadmiernym spadkiem
hydraulicznym).
9
Wprowadzenie dwóch ostatnich stanów granicznych wskazuje na dużą wagę jaką przywiązuje
się w normie EN 1997-1 do wpływu wody gruntowej na nośność i stateczność fundamentów.
Problem ten został zaledwie muśnięty w normie PN-81/B-03020. Już znacznie lepiej
przedstawia się pod tym względem norma ścian oporowych PN-83/B-03010. Poszczególnym
stanom granicznym przypisane są różne, częściowe współczynniki materiałowe do
parametrów geotechnicznych podłoża, różne częściowe współczynniki oddziaływań do
oddziaływań pochodzących od gruntu i różne częściowe współczynniki materiałowe do
oporu granicznego podłoża gruntowego. Ogólny warunek stanów granicznych nośności
podłoża gruntowego przyjmuje postać następującą:
Ed Rd
gdzie:
Ed – wartość obliczeniowa efektu oddziaływań (składowa, wypadkowa, moment, naprężenie
itp.),
Rd – wartość obliczeniowa oporu granicznego podłoża gruntowego.
Warunek obliczeniowy jest w zasadzie bardzo prosty. Problem zaczyna się, gdy zaczniemy
rozpatrywać różne sytuacje obliczeniowe. Projekt normy EN 1997-1 rozróżnia trzy
podstawowe sytuacje obliczeniowe:
a) sytuacja obliczeniowa 1, w której warunek nośności można przedstawić w zapisie
formalnym w sposób następujący:
E (γf Frep, γf Gk, Xk/ γm) R (Xk/ γm)
Zapis ten oznacza, że przy wyznaczaniu wartości obliczeniowej efektu oddziaływań od gruntu
(na przykład parcie lub odpór gruntu) stosować się będzie zarówno wartości obliczeniowe
parametrów geotechnicznych podłoża jak i współczynniki częściowe oddziaływań do
oddziaływań od gruntu. Wartości obliczeniowe pozostałych oddziaływań należy wyznaczyć
zgodnie z zaleceniami EN 1990 i EN 1991. Przy wyznaczaniu oporu granicznego podłoża
stosowane będą wartości obliczeniowe parametrów geotechnicznych.
b) sytuacja obliczeniowa 2, w której warunek nośności przyjmuje postać
E (γf Frep, γf Gk) R (Xk)/ γm
Zapis ten oznacza, że przy wyznaczaniu wartości obliczeniowych oddziaływań gruntowych
stosować się będzie jedynie częściowy współczynnik oddziaływania, a wartość
charakterystyczna oddziaływania gruntu wyznaczona będzie jedynie na podstawie wartości
charakterystycznych parametrów gruntowych. Również opór graniczny gruntu wyznaczany
będzie na podstawie wartości charakterystycznych parametrów gruntu, a jego wartość
10
charakterystyczna będzie dzielona przez częściowy współczynnik materiałowy do oporu
granicznego gruntu.
c) sytuacja obliczeniowa 3, w której warunek nośności przyjmuje postać
E (γf Frep, Xk/ γm) R (Xk/ γm)
Wartości obliczeniowe oddziaływań gruntowych wyznacza się na podstawie wartości
obliczeniowych parametrów geotechnicznych, a współczynnik oddziaływań gruntowych jest
równy jedności. Jednocześnie graniczny opór podłoża gruntowego wyznacza się na podstawie
wartości obliczeniowych parametrów geotechnicznych.
Warunek stanu granicznego użytkowalności przedstawia się również bardzo prosto:
Ed Cd
gdzie:
Ed – obliczeniowy efekt oddziaływań wyznaczony na podstawie częściowych
współczynników oddziaływań i częściowych współczynników materiałowych równych 1,
Cd – wartości graniczne przemieszczeń lub odkształceń fundamentów.
Istotną nowością jest wyraźne odróżnienie przemieszczeń i odkształceń trwałych od
przejściowych (krótkotrwałych).
Dobór właściwej sytuacji obliczeniowej do sprawdzenia konkretnego stanu granicznego
gruntu zależeć będzie w dużym stopniu od doświadczenia projektanta geotechnika. W
każdym rozpatrywanym przypadku stanu granicznego nośności jedna z wymienionych wyżej
sytuacji obliczeniowych okazuje się krytyczna. Niestety nie ma tutaj ściśle określonych reguł
i w zasadzie za każdym razem trzeba będzie sprawdzać wszystkie przypadki stanów
granicznych i wszystkie sytuacje obliczeniowe. Zwiększy to znacznie zakres obliczeń i
spowodować może również niewłaściwą interpretację podejścia do obliczeń, prowadzącą do
sprawdzania fikcyjnych przypadków obliczeniowych i do zbędnego przewymiarowania
konstrukcji lub co gorzej obliczeń po stronie niebezpiecznej dla konstrukcji. Zapobiec temu
ma wprowadzona do normy ENV 1991-1 zasada „oddziaływań z tego samego źródła”.
Doskonałym przykładem tej zasady jest sprawdzanie stateczności skarp jedną z metod
równowagi granicznej, na przykład metodą Felleniusa (rys. 2). Kiedy wprowadzana była
metoda Felleniusa nikomu nie śniło się o metodzie częściowych współczynników
bezpieczeństwa. Obliczenia prowadzono na podstawie tak zwanych projektowych
parametrów geotechnicznych, którymi najczęściej były parametry charakterystyczne.
Wiadomo skądinąd, że metoda Felleniusa sama w sobie zawiera bardzo duży zapas
bezpieczeństwa, stąd bardzo niskie, wymagane wartości globalnego współczynnika
11
bezpieczeństwa np. 1.05. W zależności od położenia względem środka obrotu ciężary
poszczególnych pasków mogą korzystnie lub niekorzystnie wpływać na stateczność zbocza.
Rys.2. Stateczność skarpy – metoda FelleniusaStosowanie współczynników oddziaływań mniejszych od jedności do ciężarów korzystnych i
większych od jedności do ciężarów niekorzystnych doprowadziłoby do powstania zupełnie
fikcyjnej sytuacji utraty stateczności w przypadku większości zaprojektowanych dotychczas
skarp, które nie mają jednak najmniejszej ochoty ulegać katastrofie, mając wystarczający
zapas bezpieczeństwa wynikający z samej metody obliczeń. Wniosek jest tutaj tylko jeden:
ciężary poszczególnych pasków muszą mieć taki sam częściowy współczynnik oddziaływań,
jako „oddziaływania pochodzące z tego samego źródła”. Innym argumentem może być fakt,
że niezmiernie trudno byłoby się jednocześnie pomylić w różnych kierunkach w ocenie
ciężaru objętościowego danej warstwy gruntu, to znaczy jednocześnie zawyżyć i zaniżyć jego
wartość. Stąd z pełną satysfakcją, jako jeden ze współautorów normy ścian oporowych PN-
83/B-03010, odnotowuję zalecenie tej normy odnośnie do przyjmowania współczynników
materiałowych i współczynników obciążenia równych jedności przy sprawdzaniu stateczności
skarp. Zalecenie to zostało wprowadzone do wyżej wymienionej normy mimo ogromnych
sprzeciwów purystów normalizacyjnych.
Z przedstawionego powyżej przykładu wynika jedno, niezwykle istotne ostrzeżenie, że nie
można w sposób dowolny żonglować częściowymi współczynnikami bezpieczeństwa. Aby
uniknąć sytuacji fikcyjnych, prowadzących zarówno do przewymiarowania jak i do
uproszczeń na niekorzyść bezpieczeństwa projektowanej konstrukcji, należy dysponować
12
odpowiednim zasobem wiedzy geotechnicznej, przy jednoczesnym zachowaniu odpowiedniej
dawki zdrowego rozsądku.
Przed środowiskiem geotechnicznym stoją w chwili obecnej poważne zadania polegające na
sprecyzowaniu skutków ewentualnego wprowadzenia projektowania konstrukcji
budowlanych opartego na teorii niezawodności. Możliwość stosowania metod bezpośrednich
np. metody Monte Carlo, ze względu na trudności w określeniu zmiennych losowych, wydaje
się mało prawdopodobna. Jednak w chwili obecnej niezbędne jest wykorzystanie teorii
niezawodności do kalibrowania metody częściowych współczynników bezpieczeństwa w
odniesieniu do fundamentów obiektów budowlanych w warunkach polskich, na podstawie
konkretnych przykładów już zrealizowanych obiektów budowlanych, poddanych stałemu
monitoringowi osiadań.
Powinien powstać program prac badawczych, realizowany przez kilka wyspecjalizowanych
ośrodków, mających już osiągnięcia naukowe w tej dziedzinie. Program ten powinien mieć
charakter wybitnie utylitarny i dać odpowiedź na kilka niezwykle istotnych kwestii:
a) Czy obecny poziom badań laboratoryjnych i polowych gruntu dla przemysłu umożliwia
wprowadzenie teorii niezawodności do projektowania geotechnicznego?
b) Czy możliwe jest sprecyzowanie zakresu badań podłoża gruntowego, który umożliwi
osiągniecie odpowiedniego poziomu niezawodności konstrukcji, zgodnie z wymaganiami
EN 1990?
c) Jakie skutki ekonomiczne pociąga za sobą prowadzenie badań „uproszczonych” i badań
dokładnych podłoża gruntowego konstrukcji w celu osiągnięcia tego samego poziomu
niezawodności konstrukcji?
d) Jaki jest możliwy do uzyskania stopień niezawodności konstrukcji przy stosowaniu
metody B określania parametrów gruntowych według normy PN-81/B-03020?
Zdaję sobie sprawę z tego, że pytań takich może być znacznie więcej. Nie chciałbym jednak
wyręczać osób znacznie lepiej ode mnie przygotowanych do realizacji tego rodzaju zadań.
Literatura:
1. Wersja polska ENV 1991-1:1994 Eurokod 1: Podstawy projektowania i oddziaływania na
konstrukcje. Część 1: Podstawy Projektowania. Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa,
listopad 1994 r.
2. PN-ISO 2394 Ogólne zasady niezawodności konstrukcji budowlanych, Polski Komitet
Normalizacyjny, kwiecień 2000 r.
3. Projekt EN 1997-1 Eurokod 7 Projektowanie geotechniczne. Część 1 Przepisy ogólne.
Materiały konferencji w Mrągowie, Instytut Techniki Budowlanej, październik 2000 r.
13
4. Grundbau-Taschenbuch Teil 1,2, 3, wydawnictwo Ernst und Sohn (Wiley Group), 2000 r.
5. Council Directive 83/189/EEC of 28 March 1983 (najnowsza wersja z 1997 r., OJ No C
78/97, p. 4).
6. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 24 września 1998 r.
w sprawie ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych (Dz. U.
Nr 126, poz. 839)
14