Jak projektować trwałe mury oporowe z grodzic stalowych?

Trwałe mury oporowe ze ścianek szczelnych to bardzo konkurencyjne, szybkie i ekonomiczne rozwiązanie dlatego znajdują szerokie zastosowanie m.in. jako:

• zabezpieczenia skarp
• obudowy nowobudowanych nasypów
• elementy przyczółków mostowych
• elementy skrzydeł mostów i wiaduktów
• wzmocnienia nabrzeży
• trwałe obudowy wykopu dla kondygnacji podziemnych np. parkingów
• itp.

Trwałość i projektowy okres użytkowania

Zgodnie z Eurokodem [1] konstrukcje należy projektować w taki sposób, aby zmiany następujące w projektowym okresie użytkowania, z uwzględnieniem wpływów środowiska i przewidywanego poziomu utrzymania, nie obniżały właściwości użytkowych konstrukcji poniżej zamierzonego poziomu. Nie inaczej powinny być projektowane trwałe mury oporowe z grodzic stalowych.

Trwałe konstrukcje ze ścianek szczelnych z reguły projektuje się przyjmując 4 lub 5 kategorię projektowanego okresu użytkowania zgodnie z [1] co odpowiada orientacyjnym okresom użytkowania 50 i 100 lat.

Korozja stali ścianek szczelnych

Nie jest na pewno dla żadnego inżyniera zaskoczeniem fakt, że niezabezpieczona stal koroduje i redukcji ulega grubość ścianek przekroju grodzicy. Za takie zjawisko w środowisku gruntowym i wodnym odpowiada korozja elektrochemiczna. Prędkość korozji jest uzależniona od agresywności środowiska oraz obecności wody i tlenu. Tempo korozji stali ścianek szczelnych przebiega najszybciej w początkowej fazie okresu użytkowania konstrukcji. W kolejnych fazach korozja wyhamowuje gdyż produkty korozji osadzające się na powierzchni stali zmniejszają prędkość przenikania tlenu.

Metody ochrony konstrukcji przed korozją dla zapewnienia odpowiedniego poziomu trwałości

• naddatek grubości ścianek – zastosowanie profilu który po uwzględnieniu ubytków spełnia warunki stanów granicznych
• zwiększenie rezerwy nośności poprzez zastosowanie wyższej klasy stali np. S355GP lub S430GP – zastosowanie stali o wyższej granicy plastyczności z reguły rozwiązuje problem SGN
• powłoki ochronne – powłoki malarskie lub cynkowanie – ograniczają dopływ wody i tlenu do stali – przeważnie jednak takie powłoki są stosowane tylko w odsłoniętej części muru. Malowanie całych elementów z reguły nie jest stosowane z uwagi na uszkodzenia powłok podczas instalacji grodzic w podłoże gruntowe
• ochrona katodowa – stosowana przede wszystkim w obiektach hydrotechnicznych
• warstwa betonu lub zaprawy
• stosowanie stali o zmodyfikowanym składzie chemicznym np. AMLoCor (ArcelorMittal) – nisko korodująca stal dla konstrukcji morskich [3]

Jak uwzględnić ubytek grubości ścianki grodzic w obliczeniach statycznych?

Najpopularniejszą metodą uwzględnienia aspektu trwałości konstrukcji ze ścianek szczelnych w inżynierii lądowej jest uwzględnienie w obliczeniach prognozowanego ubytku grubości ścianki grodzic. Popularność tej metody wynika przede wszystkim z prostoty i względów ekonomicznych.

Ubytek grubości i obniżenie parametrów przekroju należy uwzględniać w weryfikacji stanu granicznego nośności (SGN) poprzez dobór  zredukowanego wskaźnika zginania (Wpl i Wel) i pola powierzchni (A) dla sytuacji trwałej. Obniżenie parametrów geometrycznych ma też wpływ na weryfikację stanu granicznego użytkowalności (SGU) gdyż wraz z redukcją momentu bezwładności (Iy) zmniejszeniu ulega sztywność giętna (EIy) w sytuacji trwałej.

Ubytek grubości stali z powodu korozji można pomijać, gdy projektowy okres użytkowania jest krótszy niż 4 lata.

W poniższej tabeli zestawione są wartości ubytków które należy uwzględniać przy projektowaniu grodzic stalowych przy doborze profili z uwzględnieniem naddatku.

W normie PN-EN 1993-5:2009 Eurokod 3 – Projektowanie konstrukcji stalowych – Część 5: Palowanie i ścianki szczelne [2] na podstawie badań określono wartości ubytków dla okresu użytkowania 5 i 25 lat. Wartości dla 50, 75 i 100 lat ekstrapolowano co jest bezpiecznym (konserwatywnym) założeniem gdyż produkty korozji hamują jej dalszy postęp.

Ponadto w praktyce inżynierskiej dla odsłoniętych części ścianek szczelnych przyjmuje się, że ubytek korozyjny stali wynosi w atmosferze normalnej 0,01 mm/rok, a w atmosferze morskiej 0,002 mm/rok.

Gdy wymagany projektowy okres użytkowania konstrukcji jest dłuższy niż trwałość powłok ochronnych to przy sprawdzaniu stanów granicznych użytkowalności i nośności uwzględnia się ubytki grubości stali w pozostałym okresie użytkowania.

W obliczeniach statycznych ubytek grubości ścianki wskutek korozji uwzględnia się poprzez redukcję parametrów geometrycznych przekroju w trwałej sytuacji obliczeniowej.

Redukcji podlegają:

• Wel – wskaźnik zginania
• I – moment bezwładności
• A – pole powierzchni przekroju
• tf, tw – grubość ścianek przekroju

Wartości ubytków korozyjnych z reguły są inne dla różnych stref na wysokości ścianki z grodzic oraz inne od strony gruntu i od strony powietrza/wody.

Wyznaczenie zredukowanych parametrów przekrojów ręcznie jest dość czasochłonne dlatego warto skorzystać z dostępnego oprogramowania np. programu Durabilty udostępnionego w wersji darmowej przez firmę ArcelorMittal [4]

Poniżej wykresy redukcji parametrów geometrycznych przekroju według [4] (wskaźnik zginania, moment bezwładności) oraz nośności na zginanie dla jednego z profili popularnej rodziny grodzic GU (grodzice z rodziny GU są produkowane w Polsce): GU16N S355GP:

 

Zwróćcie uwagę, na skoki na wykresie nośności na zginanie. Dla analizowanego przypadku GU16N S355GP dla łącznego ubytku grubości ścianki >0,74 mm następuje redukcja klasy przekroju z 2 na 3. Zgodnie z [2] dla klasy 3 przekroju nośność na zginanie jest wyznaczana dla wskaźnika sprężystego, a nie dla plastycznego jak to miałoby miejsce w przypadku przekroju klasy 2. Dla redukcji grubości ścianki >3,07 mm przekrój „wchodzi” w klasę 4 i obliczenia prowadzone są według innej procedury jak dla elementów cienkościennych (patrz zał. A normy PN-EN 1993-5 [2].).

Przykład

dane:

• projektowy okres użytkowania – 50 lat (4 kategoria projektowego okresu użytkowania)
• ścianka wspornikowa zainstalowana w gruncie – skażony grunt rodzimy lub teren przemysłowy
• profil: GU16N
• klasa stali: S355GP

wyliczenia i wnioski:

• ubytek zgodnie z tablicą 1: 2 x 1,5 mm = 3,0 mm
• moment bezwładności bez redukcji: 35 950 cm4/m
• moment bezwładności z redukcją: 25 530 cm4/m
• redukcja momentu bezwładności powoduje obniżenie sztywności giętnej (EI) o ~29%
• nośność na zginanie bez redukcji – 706 kNm/m
• nośność na zginanie z redukcją – 421 kNm/m
• redukcja parametrów przekroju powoduje obniżenie nośności obliczeniowej przekroju na zginanie o ~40%

Optymalne projektowanie – algorytm

Zgodnie z praktyką inżynierską proces optymalnego projektowania uwzględniając zredukowane parametry przekroju należy przeprowadzić w następujących krokach:

Krok 1. Wybór odpowiedniej kategorii projektowanego okresu użytkowania i orientacyjnego projektowego okresu użytkowania (przeważnie 50 lub 100 lat)

Krok 2. Analiza warunków gruntowo-wodnych oraz wyznaczenie ubytków korozyjnych dla poszczególnych stref na podstawie tablicy 1

Krok 2. Wyznaczenie zredukowanych parametrów przekroju dla poszczególnych stref korozji np. w programie Durability [3]

Krok 3 . Zamodelowanie konstrukcji uwzględniającej zredukowane parametry przekroju

Krok 4. Weryfikacja stanów granicznych SGN i SGU dla zredukowanych parametrów przekroju ścianki szczelnej

 

Źródła:

[1] PN-EN 1990:2004 Eurokod. Podstawy projektowania konstrukcji

[2] PN-EN 1993-5:2009 Eurokod 3. Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 5: Palowanie i ścianki szczelne

[3] Trwałość grodzic stalowych – Michał Januszewski – ArcelorMittal, geoinżynieria drogi mosty tunele 3/2018

[4] Durability – https://sheetpiling.arcelormittal.com/download-center/software/software-durability/