Kotvení stavebních konstruk cí
2 Kotvení stavebních konstrukcí Kotvení stavebních konstrukcí je velmi frekventovanou metodou speciálního zakládání, která umožňuje přenos tahových sil z konstrukce do horninového prostředí, případně slouží ke stabilizaci zemního či horninového masivu samostatnými předepnutými horninovými kotvami. Ty se používají nejen jako podpory u pažení stavebních jam či opěrných a zárubních zdí, ale též pro zajištění stability zemních svahů, včetně sanace svahů sesutých, pro stabilizaci skalních stěn v zářezech a odřezech, pro stabilizaci tunelových portálů a stěn podzemních kaveren, pro zajištění stavebních konstrukcí proti vyplavání působením vztlaku, případně proti posunutí či překlopení. Zemní a horninové kotvy se skládají z kotevní hlavy, volné délky a kořenové (kotevní) délky, jež je do základové půdy upnuta prostřednictvím injektáže (obr. 11). Alternativní systémy, jako jsou např. tahové piloty a mikropiloty, zavrtávané kotvy bez injektáže, rozpínací svorníky a táhla, se za výše definované kotvy nepovažují. U zemních a horninových kotev musí být tedy splněny následující podmínky: kořenová část kotvy je v základové půdě upnuta pomocí injekční směsi, tahová síla je do kotvy vnesena předpětím, tzn., že kotva musí mít volnou délku, jež svým protažením umožní vnesení kotevní síly (podle Hookova zákona). Pro navrhování kotev platí obecná ustanovení ČSN EN 1997-1, pro navrhování, provádění, zkoušení a monitorování kotev platí ČSN EN 1937-2001: Provádění speciálních geotechnických prací – Injektované horninové kotvy, jež je v současné době v revizi.
Obr. 11 Injektovaná horninová kotva: 1 – kotevní hlava, 2 – podkladní deska a podbetonování, 3 – kotvená konstrukce, 4 – stěna vrtu, 5 – primární ochranná plastová trubka na táhle, 6 – táhlo, 7 – cementový kámen injektovaného kořene, 8 – konec táhla, 9 – plastová trubka –primární protikorozní ochrany kořene, 10 – těsnění, 11 – volný prostor (případně vyplněný další protikorozní ochranou táhla), 12 – výplň sekundární ochrany táhla, 13 – cementový kámen primární ochrany kořene; Lfixed – kořenová délka kotvy, Lfree – volná délka kotvy, Ltb – kotevní délka táhla, Ltf – volná délka táhla, Lk – délka kotvy 31
Kotvení stavebních k onstruk cí
2.1 Druhy horninových kotev Kotvy se dělí podle následujících kritérií: 1. podle typu kotevního táhla kotvy tyčové kotvy pramencové 2. podle doby své funkce kotvy dočasné (doba jejich funkce je do 2 let) kotvy trvalé (doba jejich funkce je více než 2 roky) 3. podle způsobu namáhání kořene kotvy s kořenem taženým kotvy s kořenem tlačeným (ty se již prakticky neprovádějí, a to z důvodů komplikované výroby). Hlava kotvy zajišťuje ukotvení táhla do stavební konstrukce a tím přenos síly z kotvy do konstrukce. Její uspořádání se liší podle typu táhla kotvy. Hlavu tyčových kotev tvoří nalisovaný závit s velkým stoupáním na kotevním táhlu, speciální matice a ocelová podkladní deska, případně podkladní svařenec, používaný u šikmých kotev. Upínací hlavy kotev pramencových jsou obdobné jako upínací hlavy používané v předpjatém betonu. Mezi pramenci, které jsou protaženy masivní ocelovou objímkou, je vtlačován ocelový kuželík, jehož přítlačná síla zajistí fixaci pramenců a tím předpínací síly (obr. 12). U trvalých kotev musí uspořádání jejich hlavy umožnit případnou kontrolu předpínací síly během její životnosti. Hlavy trvalých kotev se chrání proti mechanickému či tepelnému poškození a zejména korozi pomocí nátěrů a povlaků. Nejdokonalejší ochranou hlavy kotvy je její uzavření ocelovým nebo plastovým krytem, vyplněným vhodným tmelem s antikorozními účinky.
Obr. 12 Uspořádání hlavy pramencové kotvy: 1 – upínací kuželík každého pramence, 2 – objímka, 3 – podkladní deska, 4 – převázka tvořená dvojicí U profilů, 5 – ocelový svařenec, 6 – pažicí stěna, 7 – táhlo kotvy z patentových drátů, 8 – průchodka
32
Kotvení stavebních konstruk cí Táhla kotev jsou z hlediska materiálu tvořena buď ocelovými tyčemi, nebo pramenci (splétanými lany), z čehož jsou odvozeny i názvy jednotlivých typů kotev. Tyčové kotvy mají obvyklý průměr: 26,5; 32 nebo 36 mm, jsou z kvalitní oceli s mezí kluzu 835 – 1070 MPa (např. systém Dywidag). Pramencové kotvy jsou složeny z 2 až 12 pramenců o průměru 15,3 až 15,7 mm, ocel kvality vesměs 1570/1770 MPa (obr. 13).
Obr. 13 Řezy dočasnou pramencovou kotvou 8 x Lp 15,7 mm: a – řez kořenem, b – řez kořenem v místě usměrňovacího prvku, c – řez táhlem; 1 – stěna vrtu, 2 – cementový kámen injektovanéhokořene, 3 – pramence, 4 – injektážní manžetová trubka, 5 – usměrňovací prvek, 6 – plastovátrubka chránící volnou délku táhla, 7 – výplň cementovou zálivkou Táhlo kotvy se skládá z volné délky a kořenové délky kotvy. Volná délka táhla musí umožnit především předepnutí kotvy a zajistit přenos tahové síly do horniny v požadované vzdálenosti od stavební konstrukce. Volná délka všech kotev je proto vždy opatřena povlakem z hadice z umělé hmoty, která zajistí příslušný prokluz. V případě kotev trvalých slouží tento povlak současně jako druhá antikorozní ochrana. Navržený systém protikorozní ochrany musí být spolehlivě odolný proti mechanickému poškození během instalace kotvy, trvalý po celou dobu životnosti kotvy a musí umožnit volné protažení táhla při předpínání kotvy. Kořen kotvy slouží v případě injektovaných kotev k přenosu kotevní síly do horninového prostředí a vytváří se jednorázovou nebo opakovanou injektáží cementové suspenze do vymezené části vrtu. Injektáž se realizuje buď pomocí plastové manžetové trubky profilu 32 / 3,6 mm s injekčními etážemi po 500 mm pomocí dvojitého necirkulačního obturátoru, nebo pomocí injekčních hadiček. První způsob je pracnější, ale bezpečnější a používá se vždy v případě kořene pilot v jemnozrnných zeminách. Druhý způsob je rychlejší, nicméně méně spolehlivý. Používá se v případě dočasných tyčových kotev v hrubozrnných zeminách a horninách. Úlohou proinjektovaného cementového kamene je kromě přenosu tahové síly do horninového prostředí také primární ochrana kořenové délky kotev, jež se v případě kotev dočasných považuje za dostatečnou, je-li jeho tloušťka alespoň 10 mm. V případě dočasných tyčových kotev trvalých je nutná dvojitá ochrana kořenové délky pomocí vrubované hadice z PE (obr. 14).
33
Kotvení stavebních k onstruk cí
Obr. 14 Pramenec trvalé kotvy s antikorozní ochranou kořene: 1 – pramenec profilů 15,5 mm,– ochrana pramence cementovým kamenem nebo umělou pryskyřicí, 3 – zvlněná trubka z PE, 4 – cementový kámen injektovaného kořene, 5 – stěna vrtu Kotvy jsou mimořádně štíhlé ocelové prvky, u nichž musí být zajištěna protikorozní ochrana, přičemž neexistuje jednoznačný způsob pro zajištění této ochrany v daném geotechnickém prostředí. V zásadě se rozlišují dva stupně této ochrany, jež odpovídají životnosti kotev. V případě dočasných kotev musí tato ochrana spolehlivě působit po dobu nejméně 2 let. V tab. 3 jsou uvedeny příklady protikorozní ochrany pro dočasné kotvy. V případě trvalých kotev se realizuje tzv. sekundární ochrana, přičemž principem je to, že nejméně jedna souvislá vrstva z materiálu zabraňujícímu korozi, jež nepodléhá degradaci během celé životnosti kotvy, musí tvořit kotevní ochranu. Příklady této ochrany jednotlivých komponentů kotvy jsou v tab. 4. Provádění trvalých kotev je podmíněno: certifikátem výrobku – trvalá kotva příslušného provedení, vydaném příslušným zkušebním ústavem; certifikátem opravňujícím příslušnou firmu k realizaci těchto kotev. Tab. 3 Příklady protikorozních ochranných systémů pro dočasné kotvy 1. Kotevní délka táhla Všechna instalovaná táhla musí být opatřena nejméně 10 mm krytím cementovou injekční směsí. Je-li kotva v agresivním prostředí, může být kořenová délka opatřena jednoduchou ohebnou povlakovou trubkou. 2. Volná délka táhla Ochranný systém táhla musí mít nízké tření, aby umožnil protažení táhla v zalitém vrtu. Toho lze dosáhnout: plastovým povlakem každého z táhel; konce povlaku jsou utěsněny proti vodě, plastovým povlakem každého z táhel a výplní mezikruží mezi táhlem a povlakem protikorozní hmotou, společným plastovým, nebo ocelovým povlakem celého táhla s utěsněním konce proti vniku vody, společným plastovým, nebo ocelovým povlakem celého táhla s protikorozní výplní 3. Přechod mezi kotevní hlavou a volnou délkou (podkotevní ochrana) Povlaková trubka volné délky táhla má být připevněna k podkladní desce a utěsněna vhodným materiálem. 4. Kotevní hlava Je-li kotevní hlava po celou dobu funkce kotvy přístupná: pokrytí hlavy nestékavou protikorozní hmotou, nebo kombinace nestékavé hmoty s ochranným povlakem. Je-li kotevní hlava nepřístupná, musí na ní být připevněno kovové nebo plastové víko.
34
Kotvení stavebních konstruk cí Tab. 4 Příklady protikorozních ochranných systémů pro trvalé kotvy 1. Ověření navrhované ochrany všechny systémy protikorozní ochrany musí být podrobeny zkouškám za účelem prokázání účinnosti; investor potvrdí, že na základě zhodnocení výsledků zkoušek je ochranný systém přijatelný, pokud je kotevní délka opatřena pouze jednoduchou ochranou, kontroluje se účinnost této ochrany měřením in situ (např. zkouška elektrického odporu kotvy). 2. Kotevní délka táhla 3. Ochranné obaly zhotovené na stavbě a) jednoduchá ohebná plastová trubka obklopená a) jedna ohebná plastová trubka, cementovou zálivkou, b) dvě plastové povlakové trubky, b) dvě soustředně uložené ohebné trubky s mezikružím c) vnitřní cementová zálivka a vnější zainjektovaným cementovou směsí, nebo pryskyřicí plastová povlaková trubka, a vnější cementová zálivka, d) vnitřní cementová zálivka a vnější c) jednoduchá ohebná trubka s vnitřní injektáží tloušťky ocelová nebo plastová trubka, alespoň 5 mm ve výrobně, e) ocelová povlaková trubka a vnější d) jednoduchá ohebná (stlačitelná) ocelová trubka, cementová zálivka obklopující táhlo s vnitřní injektáží, e) jednoduchá ocelová nebo plastová ohebná trubka tloušťky minimálně 3 mm s krytím injekční směsí tloušťky minimálně 20 mm a pevnosti minimálně 500 kPa 4. Volná délka táhla Ochranný systém musí kromě antikorozní ochrany umožnit volný pohyb táhla, což lze docílit: plastovým povlakem na jednotlivých táhlech s výplní pružnou hmotou, plastový povlak na jednotlivých táhlech s vnitřním pružným povrchem s výplní cementovou suspenzí, společný plastový povlak pro všechna táhla s vnitřním pružným povrchem s výplní cementovou zálivkou. 5. Přechod mezi kotevní hlavou a volnou délkou Ke kotevní hlavě je přivařeno, nebo jen s ní pevně spojeno natřené hrdlo z ocelové nebo plastové trubky. To je připevněno přímo k povlakové trubce volné délky kotvy a vše je vyplněno protikorozní hmotou. 6. Kotevní hlava Natřené, nebo žárově pozinkované kovové víko s mininmální tloušťkou 3 mm, nebo pevné plastové víko s mindální tloušťkou 5 mm se připevní na podkladní desku. Je-li kotva přístupná, je vyplněno pružnou antikorozní hmotou. Je-li kotva nepřístupná, vyplní se buď cementovou suspenzí, nebo antikorozní hmotou.
2.2 Zásady provádění injektovaných horninových kotev Technologický postup výroby kotev sestává z následujících fází: a) provádění maloprofilových vrtů; b) vyplnění vrtů zálivkou; c) výroba, doprava, manipulace a osazení kotvy; d) injektáž kořene kotvy a popř. reinjektáž, eventuálně předinjektáž okolní základové půdy; e) napínání kotev, zkoušení kotev, dohled a přezkušování. Provádění maloprofilových vrtů pro kotvy se neliší od provádění vrtů pro mikropiloty, klasické injektáže a pro injektáž tryskovou. Typické průměry vrtů pro různé typy kotev a základových půd jsou v tab. 5. Rovněž tak vyplňování provedených a vyčištěných vrtů cementovou 35
Kotvení stavebních k onstruk cí zálivkou ve složení c : v = 2,2 – 2,3 : 1 je shodné, také pro injektáž kořene kotev platí shodný technologický postup a stejné zásady. Účelem injektáže kotev (případně injektáže jejich kotevní délky) je: upnutí kořene kotvy v základové půdě tak, aby byla kotva schopna přenést vnášenou tahovou sílu do okolní základové půdy; ochrana táhla kotvy proti korozi; zpevnění základové půdy bezprostředně přiléhající ke kořenové části kotvy, aby se zvýšila její únosnost; utěsnění základové půdy bezprostředně obklopující kořenovou část kotvy, aby se omezil únik injekční směsi. Injektuje se cementovou suspenzí c : v = 2,2 – 2,3 : 1 a je třeba protrhnout zálivku a prostřednictvím injektáže ji roztlačit proti stěnám vrtu. Rozhodující je dosažení v projektové dokumentaci předepsaného tlaku na příslušnou etáž; proto reinjektáže, zvláště v zeminách, jsou zcela typické. Kotvy se předepínají za účelem: zjištění únosnosti kotvy a vypracování záznamu, napnutí a ukotvení táhla kotvy na jeho zaručené síle. Tab. 5 Příklady průměrů vrtů d [mm] pro kotvy podle typu kotev a základové půdy Druh kotvy Trvanlivost kotvy Tyčové (CPS, Dywidag) Pramencové do 4 x Lp Pramencové do 8 x Lp
Zeminy soudržné dočasné trvalé 133 156 156 175 175 194
Zeminy nesoudržné dočasné trvalé 133 156 133 156 156 175
Horniny skalní a poloskalní dočasné trvalé 118 133 133 156 156 175
Tahová síla se do injektovaných horninových kotev vnáší napínáním, jehož účelem je: zjistit únosnost kotvy a vypracovat záznam o této únosnosti, napnout a ukotvit táhlo kotvy na jeho zaručené síle. Každá z napínaných kotev projde na stavbě jistým druhem zkoušky, které se dělí na: typové zkoušky průkazní zkoušky kontrolní zkoušky. Typovými zkouškami, jež musí být dokončeny před zahájením výroby kotev, se stanovuje: odpor Ra proti vytažení kotvy na styku mezi horninou a kořenovou částí kotvy; kritické zatížení na mezi tečení kotevního systému, nebo charakteristika tečení kotevního systému při zatěžování až do porušení, nebo výpočtová volná délka táhla Lapp. Typové zkoušky kotev se provádějí v případě realizace kotev v geotechnických podmínkách stavenišť, kde doposud nebyly provedeny žádné typové zkoušky tohoto druhu kotev, nebo v těch případech, jedná-li se o kotvy s vysokou a neobvyklou únosností. Při zkoušce se požaduje dosažení mezní únosnosti, resp. porušení na styku zemina – kořen. 36
Kotvení stavebních konstruk cí Průkazní zkouškou se pro příslušný typ kotvy potvrzuje: průkaz únosnosti kotvy při zkušebním zatížení Pp; velikost tečení, nebo úbytku napínací síly kotevního systému až do zkušebního zatížení; výpočtová volná délka táhla Lapp. Průkazní zkoušky mají význam zejména tehdy, pokud nebyly v dostatečném předstihu provedeny zkoušky typové. Provedou se nejméně 3 tyto zkoušky, jimiž se stanoví přejímací kritéria přijatelné meze tečení, nebo úbytku napínací síly pro zkoušky kontrolní. Kontrolními zkouškami se pro každou kotvu potvrzuje: průkaz únosnosti kotvy při zkušebním zatížení; v případě potřeby velikost meze tečení, nebo úbytek napínací síly kotevního systému na hranici mezního stavu použitelnosti; výpočtová volná délka táhla Lapp. Pro vlastní zkoušky se volí jeden z následujících 3 zkušebních postupů: zkušební postup 1, při němž je kotva zatěžována po sobě následujícími zatěžovacími cykly od hodnoty předtížení až po maximální sílu; při každém zatěžovacím cyklu se ve stanovených intervalech zaznamená posun hlavy kotvy při maximální napínací síle; zkušební postup 2, při kterém je kotva napínána po sobě následujícími zatěžovacími cykly od hodnoty předtížení až po maximální sílu; měří se pokles síly v hlavě piloty v průběhu sledovacího času, a to jak při zaručené síle, tak při největším zatížení; zkušební postup 3, kdy kotva je napínána od hodnoty předtížení až po maximální zkušební sílu; měří se přírůstek posunu hlavy kotvy v každém zatěžovacím stupni při ko nstantní síle. Předtížení Pa se při všech zkušebních postupech volí obyčejně o velikosti 10 % zkušebního zatížení Pp. Nejdůležitější charakteristiky pro příslušné zkušební postupy jsou v tab. 6 a 7. Tab. 6 Charakteristiky zkušebního postupu 1 pro jednotlivé druhy zkoušek kotev Druh Postup zatěžování Počet cyklů Měření deformací zkoušky typová od Pa až po Ra nebo Pp, přičemž minimálně 6 – na každém stupni min. 15´, Pp = 0,8Ptk, respektive podle tab. 8 – při Pp v nesoudržné zemině Pp = 0,95Pt0,1k minimálně 60´, – při Pp v soudržné zemině minimálně 180´ průkazná Pp 1,25P0, nebo Pp Rd minimálně 5 – jsou-li zkoušky typové, podle tab. 8 (Rd je navrhovaný odpor ks 1mm kotvy) – jinak ks 0,8 mm, ks podle rovnice 6.1 kontrolní zatěžuje se na Pp, dále se uvolní minimálně 3 – minimální doba na Pp je 5´, na Pa a znovu se napne na P0, – ks 0,8 mm při Pp a Pp 1,2P0, nebo Pp 0,9Pt0,1k – ks 0,5 mm při P0.
37
Kotvení stavebních k onstruk cí Hodnota tečení ks se stanovuje z konstantních přírůstků posunů v nejméně dvou časových intervalech sledování podle vztahu: ks = (s1 – s2) / log (t2 / t1)
(1)
kde s1 je posun kotevní hlavy za čas t1, s2 posun kotevní hlavy v čase t2, přičemž časy t se měří při konstantní síle. Sledovací časy při maximální napínací síle jsou pro každý zatěžovací cyklus následující: 1´ 2´ 3´ 5´ 10´ 15´ 20´ 30´ 45´ 60´ Výpočtová volná délka táhla Lapp se stanoví z prodloužení s kotevního táhla k jeho ukotvení v napínacím zařízení. Pro stanovení výpočtové volné délky táhla se používá rovnice: Lapp = (At Et s) / P kde At je Et s P
(2)
průřezová plocha kotevního táhla, modul pružnosti kotevního táhla, pružné protažení kotevního táhla v hlavě kotvy, zkušební síla po odečtu předtížení.
Velikost Lapp musí ležet mezi dvěma následujícími hraničními hodnotami: horní hranice: Lapp ltf + le + 0,5ltb, nebo Lapp 1,1ltf + le
(3)
přičemž rozhoduje větší hodnota, spodní hranice: Lapp 0,80ltf + le
(4)
(označení příslušných délek je na obr. 10). Tab. 7 Zatěžovací cykly a minimální časy pozorování pro typové a průkazní zkoušky kotev pro zkušební postupy 1 a 2 Přírůstek síly v % Pp cyklus 1 cyklus 2 cyklus 3 cyklus 4 cyklus 5 cyklus 6 10 10 10 10 10 10 25 40 55 70 85 25 40 55 70 85 100 25 40 55 70 85 10 10 10 10 10 10
x)
38
Minimální pozorovací čas v minutách (pouze pro zkušební postup 1) 1 1 15 (60 nebo 180x)) 1 1
Při zkušebním postupu 2 se pozorovací časy prodlužují, když maximální síla odpovídá zkušební síle
Kotvení stavebních konstruk cí Kotvy tyčové Nosná část této kotvy, přenášející tahovou sílu, je tvořena jedním táhlem z ušlechtilé oceli, jež má po celé své délce nalisován hrubý závit. Táhla se vyrábějí v délkách 12,0 m (výjimečně 14,0 m) a k nim se dodávají spojky, matice a tvarové podložky. U nás se v současné době používají tyčové tyčové kotvy Dywidag profilu 26,5 mm, 32 mm a 36 mm (tab. 9) a to vesměs pro účely dočasné. Kotvy se připravují a kompletují na staveništi, k injektáži se mimo jemnozrnné zeminy používá vesměs injekční hadička. Kotvy pramencové Jsou tvořeny 2 až 12 pramenci spletenými ze 7 patentovaných drátů profilů 7 mm. Používající se jak pro kotvy dočasné, tak i trvalé. V případě kotev dočasných se rovněž kompletují na staveništi, přičemž k injektáži jejich kořene se používá manžetová trubka. V případě kotev trvalých se na staveniště navezou polotovary s předem připravenou kořenovou délkou a ty se na stavbě kompletují. Základní údaje jsou v tab. 8 a 10. Tab. 8 Jmenovitá únosnost trvalých kotev podle počtu a kvality pramenců Fdov [kN] Táhlo ocel 1620 MPa ocel 1800 MPa táhlo ocel 1770 MPa
1x 2x 3x 4x 6x 8x 9x 10x 12x 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 120
240
360
480
720
960
1080
1200
1440
140
280
420
560
840
1120
1260
1400
1680
1x 2x 3x 4x 6x 8x 9x 10x 12x 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 142
284
426
568
852
1136
1278
1420
1562
Tab. 9 Základní parametry materiálů tyčových kotev Kotvy Dywidag
Vlastnost materiálu kotevního táhla
Ocel 835/1030
jmenovitý průměr [mm] stoupání závitu [mm] 2
Ocel 1080/1230
26,5
32
36
26,5
32
36
26,5
32
36
26,5
32
36
13
16
18
13
16
18
průřezová plocha A [mm ]
551
804
1 018
551
804
1 018
hmotnost [kg/m]
4,48
6,53
8,27
4,48
6,53
8,27
mez pevnosti [kN]
568
828
1 049
678
989
1 252
napětí na mezi pevnosti fp [MPa] Fdov kotevní síla [kN]
1 080 284
414
1 230 524
339
495
626
39
Kotvení stavebních k onstruk cí Tab. 10 Hlavní parametry ocelových pramenců Typ pramence jmenovitý průměr [mm] jmenovitý průřez [mm2] zatížení a napětí na mezi pevnosti Fm [kN] fp [MPa] na mezi 0,2 Fp0,2 [kN] fp0,2 [MPa] na mezi 0,1 Fp0,1 [kN] fp0,1 [MPa] tažnost [%] modul pružnosti E [Gpa] jmenovitá hmotnost [kgm-1]
Pramenec 15,5/1620 15,5 141,5
Pramenec 15,5/1800 15,5 141,5
Pramenec 15,7/1770 15,7 150,0
229,2 1 620 194,8 1 377 – – 3,0 200 10 % 1,12
255 1 800 217 1 532 178 1 620 3,5 200 10 % 1,12
265,5 1 770 235,5 1 570 – – 3,5 195 1,15
2.3 Zásady návrhu injektovaných horninových kotev Návrh a výpočet horninových kotev vychází z potřeb kotvené konstrukce, kterou může být: pažicí konstrukce, zajištění svahů a násypů, podzemní prostory, podzemní stavby, základové konstrukce nadlehčované podzemní vodou, stavby a jejich základy přenášející tahové síly, vyvolané horní stavbou nebo jejími účinky přenášenými do základů. Předpjaté horninové kotvy se navrhují podle zásad mezních stavů popsaných v ČSN EN 1997-1. Kromě mezního stavu únosnosti a použitelnosti, kdy se posuzuje porušení kotvy následkem tahového namáhání, je třeba při návrhu kotvení zvážit: porušení kotvy následkem namáhání příčnými silami a kroucením; porušení kotvy následkem koroze; ztráta kotevní síly následkem nadměrného posunu kotevní hlavy, nebo následkem tečení a relaxace kotvy; porušení, nebo nadměrná deformace části stavební konstrukce, vzniklá v důsledku převzetí kotevní síly. Pro návrh kotvení jsou nutná následující ověření a výpočty: ověření vnitřního odporu kotvy, ověření odporu kotvy proti vytažení, ověření použitelnosti a trvanlivosti kotvy, výpočet nutné volné kotevní délky, určení zaručené síly kotvy. 40
Kotvení stavebních konstruk cí Kotvy se navrhují a posuzují podle mezních stavů ve smyslu ČSN EN 1997-1 a ČSN EN 1537, přičemž se stanovuje: 1. mezní stav porušení návrhová hodnota únosnosti proti vytažení kotvy Ra,d o stanovená z výsledků zkoušek o určená výpočty návrhová hodnota konstrukční únosnosti kotvy 2. mezní stav použitelnosti Návrhová hodnota únosnosti kotvy proti vytažení Ra,d z výsledků zkoušek se odvodí z hodnoty charakteristické Ra,k Ra,d = Ra,k / γa
(5)
kde γa je dílčí součinitel únosnosti předpjatých kotev, který je podle tab. A.12 ČSN EN 1997-1 pro soubor R2 je rovný 1,1 jak pro dočasné, tak pro trvalé kotvy. (NAD ke kap. 8 této normy doporučuje využití návrhového přístupu 2, tj. „A1“ + „M1“ + „R2“.) Charakteristická hodnota Ra,k se stanovuje z výsledků průkazních zkoušek za použití korelačního součinitele ξ, jehož doporučené velikosti určuje tab. 11. Tab. 11 Korelační součinitele pro odvození charakteristických hodnot únosnosti kotev proti vytažení z výsledků průkazních zkoušek ξ pro n = 1 2 3 4 ξ1 1,40 1,30 1,20 1,10 ξ2 1,40 1,20 1,05 1,00 ξ1 se použije pro velikost průměrnou; ξ2 se použije pro velikost minimální
≥5 1,00 1,00
Charakteristickou hodnotu únosnosti kotvy proti vytažení Ra,k lze stanovit rovněž výpočtem na základě znalosti o geotechnických poměrech na staveništi s přihlédnutím ke zkušenostem v obdobných základových poměrech. Pro výpočet vnitřního odporu kotvy lze použít hodnot z tab. 12, jež platí rovněž pro mikropiloty. Tab. 12 Charakteristické velikosti plášťového tření kořenů kotev Typické Počet Konečný injektážní tlak Plášťové tření i vlastnosti injektáží [MPa] [MPa] skalní horniny R1 – R4 0 – 0,6 – 1,0 f 50 MPa poloskalní horniny R5, R6 0–1 0,5 – 3,0 0,2 – 0,6 f 50 MPa štěrky písčité 1–2 1,0 – 2,0 0,15 – 0,20 35° 45°, c = 0 štěrky jílovité 1–2 2,0 – 4,0 0,15 25° 35°, c = 10 písky 2–3 1,5 – 4,0 0,1 – 0,15 25° 35°, c = 0 10° u 30° soudržné zeminy tvrdé 1–3 1,5 – 3,0 0,08 – 0,14 cu 0,1 MPa u 100 soudržné zeminy pevné 2–3 1,0 – 2,5 0,06 – 0,08 0,05 cu 0,15 MPa u = 0 soudržné zeminy tuhé 3 – (4) 0,5 – 2,0 0,04 – 0,06 0,025 cu 0,05 MPa Druh základové půdy
41
Kotvení stavebních k onstruk cí Návrhová hodnota konstrukční únosnosti kotvy: Ra,d ≤ Rt,d
(6)
kde Rt,d je návrhová únosnost materiálu kotvy, jež se vypočítá ve smyslu ČSN EN 1993 s přihlédnutím k ČSN EN 1537, přičemž se vychází z charakteristické velikosti vnitřního odporu kotvy Rik, jenž je roven síle na mezi pevnosti táhla Ptk: Rik = Ptk = At ft kde At ft
(7)
je průřezová plocha kotevního táhla, charakteristiká pevnost kotevního táhla v tahu.
Průkaz mezního stavu použitelnosti kotvené konstrukce se provádí tak, že do výpočetních schémat se dosadí charakteristické hodnoty působení, vlastností základové půdy a geometrických rozměrů. Stanoví se velikosti deformací, které se porovnají s deformacemi přípustnými. Je-li vypočtený (nebo odhadovaný) posun větší než přípustný, je třeba jej zdůvodnit podrobnějším šetřením nebo zkouškami. Pokud to nevede k cíli, je třeba změnit návrh. Kotvy se ve výpočtových schématech uvažují jako pružiny. Návrh kotvení předepisuje následující údaje pro napínání kotev: a) předtížení kotvy Pa, což je předpínací síla, od které se měří posun hlavy kotvy během příslušné zatěžovací zkoušky kotvy; zpravidla se volí Pa = 0,1P, kde P = kotevní síla; b) zaručená síla P0, jež je kotevní silou vnášenou do kotvy bezprostředně po dokončení procesu napínání; platí P0 ≤ 0,60Ptk, kde Ptk je mez pevnosti kotevního táhla; c) zkušební síla Pp je maximální silou, kterou lze kotvu během příslušné zkoušky zatížit; platí Pp ≥ 1,25P0 a Pp ≥ Ra,d (platí větší z těchto hodnot). Příklad 1 Stanovte návrhovou únosnost dočasné pramencové kotvy 4 x Lp15,7 mm (ocel 1570 / 1770 MPa) celkové délky L = 16,0 m s kořenem délky Lk = 6,0 m ukotveným v ulehlém štěrku v hloubce nejméně 8,0 m pod terénem. Řešení: a) předpoklady: průměr vrtu pro kotvu d = 175 mm kotva bude vložena do vrtu vyplněného cementovou zálivkou a v kořenové délce bude injektována po etážích při dosažení minimální velikosti konečného injektážního tlaku p = 2,0 MPa b) únosnost proti vytažení: k dispozici nejsou výsledky průkazních zkoušek, použijeme výpočet charakteristická únosnost proti vytažení: Ra,k = π d Lk i = 3,14 0,175 6,0 200 = 659,4 kN návrhová únosnost kotvy proti vytažení: Ra,d = Ra,k / 1,1 = 599,45 kN 42
Kotvení stavebních konstruk cí c) konstrukční únosnost kotvy: charakteristická konstrukční únosnost: Rik = 4 0,0001448 1570 / 1,15 = 790,73 kN návrhová konstrukční únosnost: Ra,d = Ri,k / 1,35 = 585,73 kN d) návrhová únosnost kotvy (je menší z obou), tedy: Ra,d = 585 kN e) údaje pro napínání: zaručená síla P0 = 500 kN (platí P0 ≤ 0,60Ptk, neboť Ptk = 4 0,0001448 1770 = 1,025 MN, 500 kN < 0,6 1025 = 615 kN) zkušební síla Pp = 1,25P0 = 1,25 500 = 625 kN předtížení kotvy Pa = 0,1P = 0,1 500 = 50 kN
43
