Dlaczego analiza pojedynczego fundamentu to za mało – projektowanie posadowienia grupy ciężkich zbiorników

Wprowadzenie

W geotechnice często we wstępnych fazach projektowania upraszczamy, zakładając że każdy obiekt budowlany można rozpatrywać niezależnie (pomijając interakcję pomiędzy obiektami). Jednak w przypadku grupy ciężkich zbiorników – takich jak silosy zbożowe – to założenie może prowadzić do poważnych błędów projektowych. Gdy obiekty są zlokalizowane blisko siebie, ich fundamenty zaczynają ze sobą „współpracować”, a grunt na styku obiektów jest poddany koncentracji napręzeń.

W tym wpisie wyjaśniamy, dlaczego projektowanie posadowienia zbiorników powinno uwzględniać cały układ konstrukcyjny oraz różne scenariusze napełniania i opróżniania.

Silos silosowi nierówny – różnice w charakterze, wielkości obciążenia oraz wymaganiach

Nie wszystkie silosy przenoszą obciążenia w ten sam sposób – różnice występują nie tylko w geometrii, ale też w mechaniźmie przekazywania sił na podłoże. Dwa najczęściej spotykane typy to:

• silosy lejowe – obciążenie skupione w punktach podparcia leja (fundamenty: ławy pierścieniowe lub stopy fundamentowe). Wymagają dokładnego rozmieszczenia elementów wzmocnienia w ograniczonym obszarze.
• silosy płaskodenne – obciążenie rozłożone na pierścieniowy fundament i płytę posadzkową (dno silosu). Rozkład obciążeń przekazywanych na płytę posadzkę i płaszcz silosa ma znaczenie dla fundamentu

Silosy zbożowe mają zróżnicowane rozmiary, wysokości i konfiguracje. Średnice silosów płaskodennych są z reguły większe niż lejowych. Duże silosy mają znaczne rozmiary – zarówno średnice i wysokości ponad 30 m.

Tak duże wymiary i pojemność oznaczają także:

• duże obciążenia przekazywane na fundament od składowanego materiału

• dużą strefę oddziaływania pojedynczego fundamentu (duże głębokość i duży zasięg w planie)

Dlaczego jeden fundament w analizie to za mało?

Każdy doświadczony projektant  wie, jak duże obciążenia przenoszą silosy oraz inne zbiorniki (np. na wodę) – zarówno punktowo (w obwodowych podporach), jak i powierzchniowo (płyta posadzki). We wstępnych analizach często w typowym przypadku pojedynczego silosu zakładamy osiową symetrię i analizujemy przemieszczenia (SGU) oraz nośność podłoża, fundamentu (SGN).

Ale w rzeczywistości silosy rzadko pracują samodzielnie. Buduje się je w grupach – 3, 6, 9 lub więcej – i wtedy zaczynają działać interakcje przestrzenne, których nie da się przewidzieć w prostym modelu pojedynczego obiektu.

Właściwym rozwiązaniem jest zamodelowanie całego układu lub przynajmniej jego części. Przy założeniu, że grupa silosów jest symetryczna – można wówczas wykonać model połówkowy, jeśli bisymetryczna to wystarczy ćwiartka grupy. Takie podejście jest poprawne tylko przy jednorodnych warunkach gruntowych dla całej grupy obiektów. Czy to się zdarza? Raczej rzadko. Z uwagi na duży obszar jaki zajmuje grupa silosów z reguły warunki gruntowe są zróżnicowane w strefie przypowierzchniowej.

Strefa aktywna fundamentu

Strefa aktywna pod fundamentem to nie tylko pionowa kolumna gruntu ograniczona średnicą silosu. W przypadku grupy zbiorników oddziaływania sięgają często znacznie szerzej .

Dlatego projektując fundamenty grupy silosów, nie można ograniczać się do analizy lokalnej – należy modelować pełną geometrię układu.

Sekwencje napełniania – klucz do właściwej analizy

W praktyce użytkowanie silosów wiąże się z ich nierównomiernym napełnianiem i opróżnianiem. Inwestorzy oczekują pełnej swobody sposobu magazynowania. Typowe przypadki obliczeniowe to:

• wszystkie silosy pełne,

• tylko środkowe pełne, skrajne puste,

• tylko skrajne pełne, środkowe puste,

• układy naprzemienne.

Każdy z tych przypadków może powodować inne:

• różnice osiadań,

• reakcje w elementach posadowienia,

• naprężenia w płytach posadzki i ścianach.

Należy też wziąć pod uwagę, że silosy i ich fundamenty są poddane obciążeniom dynamicznym które występują np. podczas opróżniania silosów.

W analizie posadowienia grupy silosów krytyczne znaczenie mają schematy napełniania i opróżniania. Często projektanci uwzględnia jedynie stan „ napełnienie wszystkich silosów w 100%”, pomijając rzeczywiste fazy eksploatacyjne.

W praktyce silosy są napełniane etapowo – np. środkowe zbiorniki są pełne, a skrajne puste lub odwrotnie. Właśnie te asymetryczne przypadki generują największe różnice osiadań.

Kryteria stanu granicznego użytkowalności (SGU) – czyli nie tylko nośność

Projektując fundamenty pod silosy, nie wystarczy spełnić warunku nośności (SGN). Równie ważny – a często bardziej krytyczny – jest stan graniczny użytkowalności (SGU), który określa dopuszczalne przemieszczenia i odkształcenia.

W przypadku silosów kluczowe znaczenie mają:

• wartość całkowitego osiadania
• różnice osiadań między sąsiednimi silosami – wpływają na sztywność i odkształcalność połączeń technologicznych (galerii, pomostów),
• odkształcenia płyty posadzki – w szczególności trwałe,bo to istotne kryterium użytkowania silosów

Dopuszczalne wartości różnic osiadań są zazwyczaj uzgadniane na linii Projektant-Inwestor-Dostawca systemu silosów.

Weryfikacja SGU powinna być wykonana dla każdej istotnej kombinacji obciążeń (w tym nierównomiernego napełnienia silosów).

Rola modeli obliczeniowych – wierna symulacja rzeczywistego układu

W przypadku złożonych układów obciążeń, zmiennych warunków posadowienia oraz dużej liczby współpracujących obiektów, niezbędne staje się zastosowanie modeli numerycznych. W 2D Projekt wykorzystujemy oprogramowanie ZSoil, bazujące na metodzie elementów skończonych (MES, ang. FEM).

W modelach uwzględniamy nieliniowy charakter podłoża gruntowego przez zastosowanie nowoczesnych modeli konstytutywnych gruntu – w szczególności Hardening Soil i Hardening Soil brick (uwzględniający silną zmianę sztywności w zakresie małych odkształceń).

Taka analiza pozwala nie tylko odwzorować rzeczywiste warunki gruntowe, ale też przeanalizować układ w pełnym zakresie geometrycznym i obciążeniowym.

Dzięki modelom MES jesteśmy w stanie wiernie odtworzyć i przeanalizować:

• Warunki gruntowo-wodne – z uwzględnieniem stref nawodnionych i warstw słabonośnych,
• Geometrię zbiorników – zarówno lejowych, jak i płaskodennych, w tym ich układ przestrzenny,
• Geometrię fundamentów – pierścieniowych, płytowych, wspartych na palach lub kolumnach DSM,
• Charakterystykę posadowienia – z odzwierciedleniem parametrów sztywności, podatności, kontaktów i materiałów wzmocnienia gruntu,
• Sekwencje napełniania i opróżniania zbiorników – uwzględniając zmienność w czasie i asymetrię obciążeń eksploatacyjnych,
• Obciążenia stałe – ciężar własny konstrukcji i elementów technologicznych,
• Obciążenia zmienne główne – obciążenie od magazynowanego materiału (np. zboża, paszy), traktowane jako obciążenie zmienne dominujące,
• Obciążenia zmienne towarzyszące – m.in. śnieg, wiatr.

Dzięki takiemu podejściu uzyskujemy rozwiązania które są nie tylko zgodne z wymaganiami normowymi, ale przede wszystkim — wiarygodne. To klucz do skutecznego projektowania fundamentów w złożonych układach obiektów ciężkich, takich jak zespoły silosów przemysłowych.

Co może pójść nie tak?

Brak analizy różnych stanów obciążenia może prowadzić do:

• przekroczenia dopuszczalnych różnic osiadań
• lokalnego przeciążenia części fundamentu, pali lub kolumn
• uszkodzeń w obrębie połączeń galerii lub tuneli

Rekomendacje dla projektantów

• uwzględniaj charakter grupy obiektów, a nie pojedynczego wydzielonego obiektu
• wykonuj odpowiednio duże i głębokie modele tak by warunki brzegowe nie zaburzały wyników analizy
• uwzględniaj różne scenariusze napełniania – one są często bardziej wymiarujące niż pełne obciążenie dla SGU
•  bazuj na rozpoznaniu podłoża na odpowiednią głębokość

Podsumowanie

Projektując posadowienie grupy silosów  musimy wyjść poza klasyczne podejście do pojedynczego fundamentu. Układ pracuje przestrzennie, w czasie i pod zmiennym obciążeniem. Tylko pełna analiza – z uwzględnieniem współpracy obiektów, kolejności obciążeń, nieliniowego charakteru podłoża gruntowego oraz wielu innych aspektów – pozwala zaprojektować posadowienie bezpieczne,  trwałe i uzasadnione kosztowo.

🔍 Potrzebujesz wsparcia przy projektowaniu fundamentów dla baterii silosów lub innych obiektów przemysłowych?
W 2D PROJEKT projektujemy posadowienia – tak, aby Twoja inwestycja była bezpieczna, trwała i zgodna z wymaganiami normowymi.

📩 Skontaktuj się z nami, jeśli chcesz skonsultować projekt lub zlecić analizę MES:
📧kontakt@2dprojekt.pl