Výpočet opěrných zdí, Koncept výpočtu masivních opěrných zdí – Technická mechanika

Opěrné zdi jsou zdi, které slouží k zachycení různých objemových těles (např. zeminy, obilí) nacházejících se v různých úrovních před zřícením a také k odolávání tlaku vody v přehradách. Základy vnějších zdí v budovách se sklepy fungují podobně jako opěrné zdi. Existuje mnoho různých konstrukcí opěrných zdí (obr. 24.1). Obr. 24.1. Opěrné zdi: ) masivní opěrná zeď; b) vnější stěna suterénu; c) tenkostěnná opěrná zeď Při výpočtu opěrných zdí se obvykle uvažuje výpočtový model, ve kterém se učiní řada předpokladů, které umožňují zjednodušení výpočtů. Fyzikální a mechanické vlastnosti zeminy se tedy často zjednodušují za předpokladu, že mezi částicemi zeminy neexistují žádné kohezní síly.

Opěrné zdi bývají poměrně dlouhé, vzhledem k tomu, že vlastnosti půdy jsou po celé jejich délce stejné, je při výpočtech vyčleněn a vypočítán úsek opěrné zdi o délce jednoho metru. Předpokládá se, že se půda za opěrnou zdí po celé své výšce zřítí ve tvaru klínu (zříceného hranolu) podél kluzné roviny – 2, ve skutečnosti k zřícení dochází podél kluzné plochy, která je odlišná od roviny (obr. 24.2). Úhel sesuvu půdy а se může lišit v závislosti na vlhkosti půdy, jejím zhutnění při zásypu atd. Proto se provádí několik možností výpočtu pro různé úhly s přihlédnutím k tomu, že na opěrnou zeď mohou tlačit různé objemy zeminy. Obr. 24.2. Schéma kolapsu půdy: 1 — hranol pro zřícení půdy; 2 — kluzná plocha použitá ve výpočtech; 3 — skutečný sesuvný povrch půdy: а — úhel skluzu na zemi Kontrolní otázky a úkoly

• 1. K čemu se používají opěrné zdi?
• 2. Podívejte se na obr. 24.1 a vyvodte závěr: která opěrná zeď se může snáze převrátit, masivní nebo tenkostěnná?
• 3. Jak vlastnosti půdy ovlivňují stabilitu opěrných zdí?

Koncept výpočtu masivních opěrných zdí

Objemové těleso držené opěrnou zdí vyvíjí na opěrnou zeď aktivní tlak, který má tendenci opěrnou zeď buď pohnout, nebo převrátit (obr. 24.3), zatímco na druhou stranu může na opěrnou zeď působit pasivní tlak, který ji má tendenci držet.

Masivní opěrná zeď je zeď, která díky své hmotnosti drží objemné pevné těleso.

Pokud je horní povrch půdy uvnitř kolapsového hranolu vystaven rovnoměrně rozloženému zatížení po povrchu půdy, q (tlak od skladovaných materiálů, dopravy atd.), lze tento efekt pro snazší výpočet nahradit ekvivalentním tlakem zeminy. Za tímto účelem se rozložené zatížení nahradí tlakem vrstvy zeminy, přičemž se podmíněně akceptuje, že zemina má větší výšku než skutečná výška opěrné zdi.

kde ho — ekvivalentní (dodatečná) výška půdy, q — rovnoměrně rozložené zatížení po povrchu půdy, ugr — měrná hmotnost zeminy držené opěrnou zdí.

Obr. 24.3. Síly působící na opěrnou zeď

Intenzita tlaku na úrovni povrchu terénu za přítomnosti rozloženého zatížení je určena vzorcem

Na úrovni základny opěrné zdi je intenzita aktivního tlaku

kde (p je úhel vnitřního tření půdy, stanovený podle konstrukčních norem.

Intenzita pasivního tlaku na úrovni základny opěrné zdi při absenci dodatečného vnějšího zatížení je určena vzorcem

Aktivní tlak na 1 metr délky opěrné zdi se určí podle vzorce

kde F_a — horizontální, aktivní tlak půdy aplikovaný v úrovni těžiště pravého tlakového diagramu, ve výšce

od základny opěrné zdi.

Pasivní (udržovací) tlak na 1 metr délky stěny se určuje podle vzorce

kde F_r– horizontální, pasivní tlak na půdu působící v úrovni těžiště levého tlakového diagramu, ve výšce U2= 1/3 h_r od základny opěrné zdi.

Mezi základnou opěrné zdi a zeminou vzniká třecí síla, která spolu s horizontálním pasivním tlakem zabraňuje posunu opěrné zdi.

kde Ff — třecí síla; /- součinitel tření; G — hmotnost opěrné zdi.

Třecí síly vznikají také mezi hranolem zřícení zeminy a svislou plochou opěrné zdi, ale pro zjednodušení výpočtů je lze zanedbat.

Opěrné zdi jsou navrženy pro stabilitu proti posunutí podél základny; pro stabilitu proti převrácení; pro pevnost základny pod opěrnou zdí; pro pevnost samotné konstrukce opěrné zdi.

Zde jsou uvedeny pouze základní předpoklady pro výpočty. Výpočet skutečných opěrných zdí by měl být proveden dle příslušných konstrukčních norem. Pasivní (opěrné) a aktivní (smykové) zatížení na opěrných zdech se akceptuje s různými součiniteli bezpečnosti pro zatížení y/. S pomocí těchto součinitelů se pasivní zatížení snižuje a aktivní zatížení se zvyšuje, čímž se vytváří dodatečná záruka proti narušení normálního provozu opěrné zdi. Zohlednění těchto součinitelů bude projednáno v akademické disciplíně “Výpočet konstrukcí”.

Výpočet stability polohy opěrných zdí proti smyku

K posunu opěrné zdi podél základů dochází, pokud smykové síly, které na ni působí, překročí síly, které ji drží. Podmínka stability opěrné zdi proti smyku

kde YjT je součet průmětů smykových sil na rovinu skluzu; YJya — součet projekcí přídržných sil na kluznou rovinu.

Výpočet stability polohy opěrných zdí proti převrácení

Stabilita opěrných zdí proti převrácení se určuje na základě podmínky, že součet zadržovacích momentů musí být větší než součet překlopných momentů. Momenty se určují ze všech sil, které je vytvářejí vzhledem ke středu základny opěrné zdi. Pro obdélníkovou podrážku o šířce Ó, těžiště se nachází ve vzdálenosti Ы2 od okraje podrážky.

Podmínka stability opěrné zdi proti převrácení

kde ?M je součet momentů převrácení vzhledem k těžišti základny opěrné zdi; ?M_ud — součet zadržovacích momentů vzhledem k těžišti základny opěrné zdi. Jiné výpočty zde nejsou uvažovány.

Je třeba poznamenat, že zemina může ležet na vyčnívajících částech opěrných zdí (obr. 24.1 c), a poté vyvíjí na opěrnou zeď svislý tlak, který se ve výpočtech zohledňuje.

Příklad 24.1. Pro opěrnou zeď znázorněnou na Obr.

24.3, zkontrolujte stabilitu při převrácení. Výška stěny hi = 3,0 m, h_r = 1,0 m. Šířka podrážky b = 1,5 m. Hmotnost stěny G = 74 kN/m působí vpravo od středu paty opěrné zdi ve vzdálenosti eo = 0,25 m. Zemina je hrubý písek, měrná hmotnost zeminy je ugr = 18,5 kN/m3, úhel vnitřního tření je ср = 38°. Třecí síla zeminy podél povrchu stěny se neuvažuje. Intenzita rovnoměrně rozloženého plošného zatížení je q = 2 kN/m².

Řešení. Výšku ekvivalentní vrstvy půdy určíme pomocí vzorce (24.1) /?o = q / r_ф = 10 / 18,5 = 0,54 m.

Najdeme aktivní tlak na lineární metr stěny

Vzdálenost od základny opěrné zdi k bodu působení aktivní tlakové síly

Najdeme pasivní tlak na lineární metr stěny

Vzdálenost od základny opěrné zdi k bodu působení pasivního tlaku^ = 1 / 3h_r= 1/3 = 0,33 m.

· Dekorativní – efektivně skrýt malé rozdíly v půdě v přilehlé oblasti. Pokud se úrovně příliš neliší a výška stěny tedy není vysoká (až půl metru), pak se její instalace provádí s malou hloubkou až 30 cm.

· Opevňování plní hlavní funkci – zabránit sesuvu půdních mas. Takové konstrukce se staví, když sklon kopce přesáhne 8°. S jejich pomocí se organizují horizontální plošiny, čímž se rozšiřuje využitelný prostor.

Fotografie opěrné zdi

Návrh opěrných zdí

Bez ohledu na svůj účel má opěrná zeď 4 prvky:

Podzemní část zdi, drenáž a odvod vody slouží k realizaci technických norem a těleso estetickým účelům. Výškově mohou být nízké (do 1 metru), střední (ne vyšší než 2 metry) a vysoké (nad 2 metry).

Zadní stěna konstrukce může mít následující sklon:

· strmý (s přímým nebo opačným sklonem);

Profily opevňovacích zdí jsou rozmanité, převážně obdélníkové a lichoběžníkové. Ty zase mohou mít různý sklon hran.

Skutečné zatížení opěrných zdí

Při výběru materiálu, a tedy i základu pro stavbu zdí, se člověk řídí určením zatížení, které na konstrukci působí.

Vertikální síly:

· zatížení shora, tj. hmotnost tlačící na horní část konstrukce;

· zásypová síla působící jak na samotnou zeď, tak na část základů.

Horizontální síly:

· tlak zeminy přímo za zdí;

· třecí síla v bodech, kde základ přilne k terénu.

Kromě hlavních sil existují také periodické zatížení, mezi ně patří:

· síla větru, to je zvláště důležité pro konstrukce s výškou nad 2 m;

· seismické zatížení (v seismicky nebezpečných zónách);

· vibrační síly působí v místech, kudy prochází silnice nebo železniční trať;

· vodní toky, zejména v nížinách;

· vzedmutí půdy v zimě atd.

Stabilita opěrných zdí

Konstrukce nízkých opěrných zdí se provádí ve větší míře z dekorativních důvodů; nevyžadují pečlivý výpočet stability. Zvýšení této vlastnosti je indikátorem opěrných inženýrských konstrukcí.

K zabránění posunutí nebo převrácení stěny lze přijmout následující opatření:

· výrazně snižuje tlak půdy na zadní hranu mírného svahu navrženého směrem ke kopci;

· strana obrácená k zemi je zdrsněná. V kamenném, cihlovém, tvárnicovém zdivu se dělají výstupky a v monolitických opěrných zdech se dělají odštěpky;

· správně organizovaný odvodňovací systém zabraňuje odplavení konstrukce;

· přítomnost konzoly v přední části stěny poskytuje dodatečnou stabilitu, protože rozkládá část zatížení zeminou;

· boční (vertikální) tlak se snižuje vyplněním dutých materiálů (keramzit) mezi zadní stěnou a stávající zeminou;

· pro kapitálové zdi z těžkých materiálů je nutný základ. Pro jílovitou půdu je vhodné použít pásový základ, pro slabou půdu (písčitou, zejména tekutý písek) – pilotový základ.

Stavba opěrné zdi

Pokud jde o materiál, jeho výběr je založen na mnoha kritériích, jako je výška konstrukce, vodotěsnost, odolnost vůči agresivnímu prostředí, trvanlivost, dostupnost stavebního materiálu a možnost mechanizace procesu instalace.

Cihlová opěrná zeď

· Při výpočtu opěrných zdí z cihel se zajistí vyztužený základ. Dekorativní vlastnosti lze zvýšit použitím cihel, které se liší velikostí nebo barvou od prvků hlavního zdiva. Nízká zeď (do 1 metru) se pokládá samostatně. V případech, kdy se předpokládá zvýšené zatížení, byste se měli uchýlit ke službám odborníků.

· Pro práci se používá obyčejná červená pálená cihla nebo slínek s vysokým koeficientem pevnosti a odolnosti proti vlhkosti. Pro stavbu opěrných zdí je zpravidla nutný pásový základ.

· Šířka výkopu pod základem se rovná trojnásobku šířky stěny, tj. pokud je výstavba plánována v jedné cihle (25 cm), pak bude tento parametr roven 75 cm. Hloubka by měla být alespoň 1 m. Dno je však vyplněno 20-30 cm vrstvou štěrku nebo drceného kamene, poté vrstvou (10-15 cm) písku, každý zásyp materiálu je udusán.

· Bednění se srazí, jeho horní část by měla být 15-20 cm pod úrovní terénu. Pro výztuž se používají výztužné tyče, které se pokládají na lámané cihly nebo suťový kámen. V žádném případě by neměly ležet jen na pískově-štěrkovém polštáři. Dále se nalije beton třídy 150 nebo 200.

· Slínek se pokládá v obvazu na maltu. Ve druhé řadě jsou zajištěny drenážní trubky Ø50 mm. Při instalaci se dodržuje sklon trubek k přední části okraje, doporučená vzdálenost mezi nimi je 1 metr. Je důležité sledovat posun spár. Abyste tomu zabránili, můžete použít poloviny cihly.

· Za zmínku stojí, že zdivo z jedné cihly je možné pro stavbu stěny do 60 cm, u vyšších konstrukcí se doporučuje provádět stavbu z jedné a půl, dvou cihel s rozšířením spodní části stěny. Získá se tak konstrukce připomínající konzolu.

Opěrná zeď z kamene

· Přírodní kámen se stejně jako jeho umělý protějšek vyznačuje vysokými estetickými vlastnostmi. Navíc vzhled hotové zdi umožňuje harmonicky zapadat do okolní krajiny a vytvářet s přírodou jednotný celek.

· Lze zde použít suchou i mokrou metodu pokládky materiálu. První možnost je náročnější na práci a vyžaduje určitou míru zručnosti, protože je nutné upravit velikost kamene a zajistit optimální přilnavost k sobě navzájem.

· Základ pro kamennou opěrnou zeď se provádí stejným způsobem jako pro cihlovou. Pásový základ se provádí s následným pokládáním kamene. Pokud se zeď staví bez použití malty, pak se spáry vyplní sadbovým materiálem nebo zahradní zeminou. Později se mezi kameny vysazují rostliny s vláknitým kořenovým systémem. Jak se vyvíjejí, výrazně zpevňují prvky konstrukce.

· V tomto případě můžete drenážní systém uspořádat zjednodušeným způsobem – mezi každým 4. a 5. kamenem v první řadě nechte 5 cm mezery.

· Kamenné zdi se doporučují pro stavbu konstrukcí maximálně 1,5 m.

Opěrné zdi z betonu

· Taková monolitická konstrukce se vyrábí pomocí dřevěného bednění nebo vrtaných pilot.

· Opěrná zeď z železobetonu z továrny

· Montáž továrně vyrobené desky se provádí pomocí zvedacího zařízení. Může být konzolová nebo opěrná. Pro instalaci hotových výrobků není v husté půdě nutný základ. Stačí vykopat výkop o něco širší, než je velikost desky nebo konzolového základu.

Prefabrikované opěrné zdi fotografie

· Na dno se pokládá štěrk (drcený kámen) a písek ve vrstvách 15-20 cm. Pečlivé zhutnění je zajištěno vydatnou zálivkou. Železobetonové desky se instalují přesně svisle. Jsou vzájemně spojeny svařováním výztužných vložených prvků. Dále se instaluje podélný drenážní systém a prostor se vyplní zeminou.

· Pro slabé (nestabilní) zeminy se doporučuje železobetonová opěrná zeď na pilotách. Vzdálenost mezi pilotami závisí na délce desky, mohou být umístěny každých 1,5, 2 nebo 3 metry. Průměr pilot je obvykle od 300 do 500 mm.

Betonová opěrná zeď pro kutily

· Konzola provedená se sklonem (10°-15°) směrem k náspu poskytuje zdi větší stabilitu. Pokud vezmeme jako příklad zeď vysokou 2,5 metru, bude výška podzemní části konstrukce 0,8-0,9 m a šířka tělesa 0,4 m.

· Pro bednění se vykope příkop široký 1,2 m (s přídavkem 30 cm na přední straně a 50 cm na zadní okraj) a hluboký 1,3 m (s přihlédnutím k organizaci pískovo-štěrkového polštáře). Požadovaný sklon se dosáhne ručním výkopem zeminy; tento parametr se kontroluje jak při instalaci bednění, tak i při jeho lití betonem. V případě potřeby se sklon upraví.

· Podklad musí být vyztužen podélně i svisle. Výška tyčí vyčnívajících z betonu musí být alespoň půl metru. Nechte podklad zpevnit; u betonu je tato doba asi měsíc. Nedoporučuje se provádět jakékoli práce na podkladu před uplynutím této doby.

· Pro snadnou konstrukci bednění pro tělo stěny se používá překližka odolná proti vlhkosti standardní velikosti 2440x1220x150 mm. Pro jeden polotovar jsou potřeba 3 listy, z nichž 2 půjdou na plné hrany a jedna překližka by měla být nařezána na vhodnou šířku pro 2 boční plochy.

· V následných pracích se jedna strana nepoužívá, protože se jedná o stěnu předchozí části konstrukce. Rozbíhajícímu se spoji mezi prvky je možné zabránit pomocí výztuže. V tomto případě se po nalití materiálu vyvrtají otvory v boční části a vloží se do nich kovové tyče. Ty mohou být od sebe střídavě rozmístěny 40-50 cm s výstupem z tělesa stěny 30-40 cm.

· Kovové rohy se používají k propojení okrajů rámu, protože hmotnost betonu určeného k lití je vysoká. Dodatečnou výztuž zajistí tyče 50×50 mm, které se přibíjejí po obvodu bednění. Pro spolehlivost by měly být na třech stranách umístěny distanční podložky.

· V případě potřeby lze betonový povrch ozdobit přírodním nebo umělým kamenem.

· Bloky z pěnobetonu, keramzitového betonu, plynobetonu nebo škvárových tvárnic výrazně usnadňují práci a snižují stavební náklady. Pevnostní charakteristiky takové zdi však budou o řád nižší. Zdivo z takového materiálu navíc nemá atraktivní vzhled.

Dřevěná opěrná zeď

Z hlediska krajinářské architektury je dřevo pro tyto účely ideální, ale dlouhá životnost není jeho silnou stránkou. Pro zvýšení odolnosti vůči agresivnímu prostředí budete muset vynaložit značné úsilí na opakované ošetření impregnačními prostředky.

Při stavbě opěrné zdi lze klády umisťovat vodorovně i svisle. Z hlediska pevnostních charakteristik není velký rozdíl. Takový materiál se používá k stavbě zdí maximálně 1,5 m. Aby se zabránilo hnilobě zakopané části klády, musí se spálit nebo ošetřit tekutým asfaltem.

Vertikální uspořádání klád v opěrné zdi

· Délka polen se může lišit, vše závisí na výškovém rozdílu. Pro stabilitu se zakopávají do hloubky rovnající se 1/3 celkové délky trámu, takže pokud je tento parametr 2 m, pak bude zakopaná část 60-70 cm.

· Kalibrované dřevo se instaluje do předem vykopaného výkopu. Na dno se nasype a zhutní 15cm vrstva drceného kamene. Klády se ukládají do pevné zdi, těsně u sebe, přičemž se striktně dodržuje svislá poloha. Upevnění se provádí pomocí drátu nebo hřebíků zatlučených pod úhlem.

· Maximální stability srubové zdi se dosáhne vyplněním výkopu směsí písku a cementu. Zadní strana svérázného plotu se pokryje těsnicím materiálem (střešní lepenka, střešní krytina atd.) a poté se zasype zeminou.

Horizontální uspořádání klád v opěrné zdi

· Podpěrné sloupky se zakopávají každých 1,5-2 nebo 3 m, čím častěji se nacházejí, tím pevnější bude opěrná zeď. Použité dřevo musí být ošetřeno antiseptickými prostředky.

Horizontální upevnění lze provést několika způsoby:

· na sloupech na dvou protilehlých stranách se předem vyříznou podélné drážky, do kterých se pevně zasunou vodorovné prvky. V tomto případě by měl být průměr nosných klád větší než nosníky určené pro příčnou polohu;

· druhá možnost zahrnuje upevnění klád ze zadní strany sloupků. V tomto případě se první trám pokládá na zem, proto se doporučuje předem položit hydroizolační materiál. Spojení vodorovně umístěných klád s podpěrami se provádí drátem a/nebo hřebíky.

Gabionová opěrná zeď

· Pro instalaci síťových konstrukcí stačí povrch srovnat a k vyplnění sekcí použít hrubozrnný drcený kámen (do 150 mm) nebo malé říční balvany. Hlavními výhodami gabionů jsou jejich flexibilita a propustnost vody, což umožňuje obejít se bez instalace drenážního systému.

· Takové drátěné krabice se jednoduše sestaví, poté se instalují na rovný terén a zakryjí se říčními nebo lomovými kameny. Následující bloky se montují stejným způsobem. Díly se k sobě spojují drátem s antikorozním nátěrem. To je vhodná metoda, pokud je nutné vytvořit mnoho rohových opěrných zdí.

· Pokud prostor mezi kameny vyplníte zeminou a zasejete semena rostlin, pak za pár let zeď získá atraktivní vzhled a organicky zapadne do okolní krajiny.

Výpočet opěrné zdi

Před stavbou opěrné zdi je důležité pečlivě zvážit všechny nuance. Jinak mohou negramotné výpočty a nedbalý přístup ke stavebním normám vést ke zhroucení.

Takové zdi až do výšky 1,5 metru si můžete postavit svépomocí. Pro velikost základny se použije koeficient 0,5-0,7 vynásobený výškou zdi. Poměr tloušťky zdi k její výšce můžete vypočítat na základě typu půdy:

· hutná půda (vápenec, křemen, živec atd.) – 1:4;

· půda střední hustoty (břidlice, pískovec) – 1:3;

· měkká půda (písčito-jílovité částice) – 1:2.

Pokud je zeď vysoká a stavba je plánována na slabých půdách, měli byste se obrátit na specializované organizace. Výpočty budou provedeny v souladu s požadavky SNiP.

V tomto případě bude zohledněno mnoho faktorů a následující výpočty budou provedeny na základě konečného stavu opěrných zdí:

· stabilita polohy samotné zdi;

· pevnost půdy, její možná deformace;

· pevnost stěnové konstrukce, odolnost jejích prvků proti tvorbě trhlin.

Výpočty budou provedeny také pro pasivní, aktivní a seismický tlak zeminy; zohlednění adheze; tlaku podzemní vody atd. Výpočet se provádí s ohledem na maximální zatížení a zahrnuje provozní, stavební a opravárenské období zdi.

Samozřejmě můžete také použít online kalkulačky speciálně určené pro tyto účely. Je však třeba vědět, že takové výpočty budou mít pouze informativní charakter. Absolutní přesnost výpočtů není zaručena.

Odvodňovací systém pro opěrnou zeď

Organizace odvodnění a odvádění vody vyžaduje zvláštní pozornost. Systém zajišťuje sběr a odvodnění podzemní vody, vody z tajícího moře a dešťové vody, čímž zabraňuje zaplavení a erozi konstrukce. Může být podélný, příčný nebo kombinovaný.

· Příčná drenáž vyžaduje otvory o průměru Ø 100 mm na každý metr zdi.

· Podélná varianta zahrnuje umístění potrubí umístěného na základu po celé délce stěny. Pro tyto účely se používají vlnité trubky; jejich flexibilita umožňuje jejich instalaci ve složitém terénu. Na rovných úsecích se používají keramické nebo azbestocementové trubky s otvory v horní části.

Opěrné zdi plní důležité úkoly. Jejich výstavbu je třeba svěřit odborníkům nebo se s nimi alespoň v této otázce poradit. I sebemenší chyba ve výpočtech může mít velmi smutné následky.