W ostatnich latach wykonaliśmy kilka projektów naprawczych i analiz weryfikacyjnych obudów ze ścianek szczelnych. Łączy je jedno: w żadnej z wyjściowych dokumentacji nie uwzględniono ograniczonego przenoszenia sił ścinających w zamkach grodzic typu U. Wskaźnik wytrzymałości i moment bezwładności brano wprost z katalogu producenta — czyli dla ściany ciągłej, w pełni zespolonej — mimo że PN-EN 1993-5 wprost wymaga rozważenia redukcji obu tych wielkości. To nie jest niuans akademicki. To zjawisko znane od lat 30. XX wieku (Lohmeyer, „Die Bautechnik”), ujęte w normie obowiązującej od 2007 r., a w polskiej praktyce projektowej niemal nieobecne, a prowadzi do przeszacowania nośności strukturalnej grodzic i niedoszacowania przemieszczeń.

Skąd bierze się problem

Grodzice typu Z mają zamki na półkach skrajnych, daleko od osi obojętnej ściany. Grodzice typu U — na osi obojętnej, czyli dokładnie tam, gdzie przy zginaniu występuje maksymalny strumień ścinania (Rys. 1). Katalogowe wartości W_x i I_x ściany z grodzic U są poprawne tylko przy założeniu, że zamki przenoszą całość sił ścinających — że ściana pracuje jak przekrój zespolony na pełnej wysokości.

Jeżeli zamek nie przenosi ścinania — bo jest zasmarowany, uszczelniony, wypełniony luźnym gruntem albo po prostu gładki — każdy brus zgina się względem własnej osi. Wskaźnik wytrzymałości i sztywność ściany spadają skokowo; w skrajnym, teoretycznym przypadku swobodnego poślizgu sztywność ściany z pojedynczych grodzic U to ułamek wartości katalogowej (Rys. 2). Pomiędzy tymi skrajnościami — pełne zespolenie i swobodny poślizg — leży rzeczywistość, o której decyduje tarcie w zamku: rodzaj i zagęszczenie gruntu, woda gruntowa, metoda pogrążania, środki uszczelniające, liczba poziomów podparcia. W przypadku grodzic łączonych w pary dochodzi drugi mechanizm: przekrój pary jest niesymetryczny, więc obciążona ściana dąży do obrotu o kąt dewiacji i zginania ukośnego, co również redukuje efektywny wskaźnik i sztywność.

Co na to Eurokod

PN-EN 1993-5 rozstrzyga sprawę jednoznacznie. Nośność przekroju na zginanie oblicza się z redukcją:

M_c,Rd = β_B · W_el · f_y / γ_M0

a efektywną sztywność giętną — z redukcją (EI)_eff = β_D · E · I. Dla grodzic Z i potrójnych U oba współczynniki wynoszą 1,0. Dla pojedynczych i podwójnych grodzic U norma wymaga przyjęcia β_B ≤ 1,0 i β_D ≤ 1,0, a konkretne wartości odsyła do załączników krajowych, bo zależą od lokalnych warunków i praktyki wykonawczej.

Niemcy potraktowali to odesłanie poważnie: załącznik DIN EN 1993-5/NA podaje gotową tabelę wartości w funkcji typu elementu, liczby poziomów podparcia i rodzaju gruntu (Rys. 3). Dla ściany z pojedynczych grodzic U w gruntach luźnych lub miękkoplastycznych jest to β_B = 0,6 i β_D = 0,4 — czyli utrata 40% nośności i 60% sztywności względem katalogu. Podobne tabele przyjęły m.in. Belgia i Francja; Holandia miała analogiczne zapisy w wytycznych CUR 166 na długo przed Eurokodem, a brytyjski załącznik krajowy różnicuje wartości według warunków pogrążania aż w kilkunastu kombinacjach. Polski załącznik krajowy analogicznej tabeli nie zawiera — decyzja i odpowiedzialność spadają w całości na projektanta. W praktyce oznacza to najczęściej, że decyzji nie podejmuje nikt.

Dlaczego w Polsce to szczególnie istotne

Struktura naszego rynku jest w tym kontekście wyjątkowo niekorzystna. Dominują profile typu GU, w większości instalowane pojedynczo — ścianek podwójnych z zaciśniętymi lub zaspawanymi zamkami praktycznie się u nas nie zamawia, a profili AZ używa się rzadko (nie są produkowane w Polsce). Tymczasem to właśnie pojedyncza grodzica U jest przypadkiem, dla którego redukcje są największe. Do tego dochodzą praktyki wykonawcze, które tarcie w zamkach dodatkowo obniżają: wciskanie statyczne (standard w zabudowie miejskiej i przy czynnych gazociągach — grunt w zamku nie jest w ogóle dogęszczany), smarowanie zamków dla ułatwienia pogrążania oraz coraz powszechniejsze wypełnianie zamków środkami uszczelniającymi, które działają jak smar.

Popularna w specyfikacjach recepta — „zaspawać zamki u góry na odsłoniętej długości 50–80 cm” — jest półśrodkiem, ale pomaga. Spoina w koronie działa na ograniczonym zasięgu: w pewnej odległości od niej narastające siły ścinające pokonują tarcie i poślizg następuje niżej, a zaspawanie zamków pod ziemią, tam gdzie ściana jest najbardziej wytężona, jest z natury rzeczy niewykonalne. Spawanie ma sens, dla całej odsłoniętej wysokości murów trwałych z grodzic. Dodatkowych aspektem poprawiającym tą kwestię jest zwieńczenie muru z grodzic sztywnym oczepem żelbetowym który ogranicza możliwość przesuwu brusów – to skuteczne dla względnie niewysokich murów.

Co pokazały badania w pełnej skali

Najmocniejszy materiał dowodowy pochodzi z pełnoskalowego badania w Pernis pod Rotterdamem (Kort, 2002), gdzie w identycznych warunkach obciążono ścianę z grodzic AZ13 oraz ścianę z podwójnych grodzic U (L607k, odpowiednik dzisiejszych PU32) z zaciśniętymi zamkami wewnętrznymi. Ściana z grodzic U miała katalogową sztywność EI ponad 3,5-krotnie większą od ściany AZ13 — a przemieściła się zaledwie o około 20% mniej (Rys. 4). Pomiary tensometryczne pozwoliły oszacować rzeczywiste współczynniki: β_B ≈ 0,68–0,73, a β_D od 0,57 do 1,0 zależnie od brusa i etapu. Przypomnę: to była ściana z grodzic podwójnych, czyli przypadek korzystniejszy niż polski standard instalacji pojedynczej, i to w gruntach miękkoplastycznych, gdzie obie redukcje są największe.

Czy Eurokod nie przesadza w drugą stronę?

Uczciwy obraz wymaga powiedzenia i tego. Wartości współczynników w załącznikach krajowych wywodzą się w dużej mierze z badań laboratoryjnych lat 90., których reprezentatywność była później kwestionowana: Byfield i Crawford wykazali, że w warunkach rzeczywistego bocznego oparcia ściany o grunt, oczep czy kleszcze zginanie ukośne rozwija się w znacznie mniejszym stopniu niż w testach bez takiego oparcia, a Bourne-Webb, Potts i Rowbottom zwrócili uwagę na mechanizm kompensacji znany od czasów Rowe’a: redukcja sztywności ściany (β_D) zmniejsza zarazem moment zginający, który podatna ściana ściąga na siebie. W przykładzie z Pernis spadek sztywności o ~30% oznaczał jednocześnie o ~1/3 mniejszy moment od parcia gruntu — utrata nośności przekroju i spadek wytężenia w dużej mierze się znoszą.

Ta kompensacja ma jednak swoją cenę, o której mówi się rzadziej: redystrybucja parcia na podatnej ścianie zwiększa siły w kotwach i rozporach — przeciętnie o 30–40%, a moment i tak trzeba sprawdzić na zredukowanym przekroju. Wniosek nie brzmi więc „redukcje można pominąć, bo się kompensują”, tylko: mechanizm trzeba świadomie policzyć w obie strony, bo pomijając go w całości, projektant nie wie, gdzie naprawdę leży zapas bezpieczeństwa — w przekroju, w podporach czy nigdzie. Drugim efektem kompensacji jest znaczny wzrost przemieszczeń poziomych ściany z grodzic oraz zwiększone oddziaływanie na teren sąsiedni co może mieć wpływ np. na istalacje podziemne, osiadanie terenu czy stateczność skarpy wykopu wstępnego nad grodzicami.

Jak my do tego podchodzimy

W 2D Projekt traktujemy współczynniki β jako parametry projektowe, nie jako formalność. Dla grodzic instalowanych pojedynczo — czyli w polskim standardzie — redukujemy β_B zawsze, bo nośność przekroju jest ostatnią linią obrony i nie chcemy, by zależała od trudno weryfikowalnego tarcia w zamkach. Natomiast β_D — sztywność — pozostawiamy bez redukcji, jeżeli warunki gruntowe są korzystne: zagęszczone grunty niespoiste powyżej zwierciadła wody, pogrążanie wibracyjne, brak środków uszczelniających. Sztywne, konserwatywne trzymanie się dolnych wartości β_D tam, gdzie tarcie w zamkach jest ewidentnie wysokie, prowadzi do przeszacowania przemieszczeń i nieekonomicznych przekrojów — a jak pokazano wyżej, zaniżenie sztywności nie jest wcale „bezpieczne”, bo zaniża siły w rozporach i kotwach. Odmiennie podchodzimy jednak do grodzic instalowanych statycznie w gruntach słabonośnych z uszczelnianiem zamków – tutaj redukcja obu parametrów powinna być znaczna i indywidualnie rozpatrywana. Nasze decyzje projektowe opieramy na analizie wrażliwości konstrukcji na te redukcje i opieramy je na setkach analizowanych projektów, ich walidacji oraz odpowiedzi z systemów monitorowania (pomiary geodezyjne oraz pomiary inklinometryczne ścian z grodzic).

Konkretne wartości dobieramy indywidualnie, na podstawie warunków gruntowych, metody instalacji i schematu podparcia, i zawsze kontrolujemy obie konsekwencje: wytężenie zredukowanego przekroju oraz siły w podporach przy zredukowanej i pełnej sztywności.

Od strony inwestora i wykonawcy warto zapamiętać cztery kwestie. Po pierwsze — jeśli w obliczeniach ścianki z grodzic U instalowanych pojedynczo nie ma śladu współczynników β_B/β_D ani żadnego komentarza o przenoszeniu ścinania w zamkach, dokumentacja jest niekompletna. Po drugie — decyzje wykonawcze (smarowanie i uszczelnianie zamków, metoda pogrążania, rezygnacja z parowania) zmieniają nośność ściany i powinny wracać do projektanta, a nie zapadać na budowie. Po trzecie – system monitorowania przemieszczeń jest kluczowym elementem projektu obudowy wykopu czy trwałej konstrukcji oporowej – bo niepewność leży zarówno w parametrach podłoża jak i faktycznego zachowania się ściany z grodzic. Po czwarte – trwałe mury oporowe z grodzic wymagają dokładniejszych analiz niż tymczasowe ścianki wbite i wyciągnięte w przeciągu 2-3 miesięcy – patrz tutaj.

Ścianka szczelna do zaprojektowania albo do sprawdzenia? To pole do współpracy z 2D Projekt

Projektujemy i weryfikujemy obudowy ze ścianek szczelnych z pełnym uwzględnieniem pracy zamków: dobór profilu i sposobu instalacji, współczynniki β_B/β_D dopasowane do warunków gruntowych i technologii, analiza MES interakcji ściana–grunt–rozparcie w ZSoil, projekty naprawcze konstrukcji, w których redukcji nie uwzględniono. Masz temat, w którym „coś się nie spina” — przemieszczenia większe niż obliczeniowe, przeciążone rozpory, wątpliwości do dokumentacji? Skonsultuj go z nami. Telefon: (+48) 509 670 899, e-mail: kontakt@2dprojekt.pl.

Źródła i literatura

• PN-EN 1993-5:2007 — Eurokod 3, część 5: Palowanie i grodze (§5.2.2 — β_B, §6.4 — β_D); DIN EN 1993-5/NA — niemiecki załącznik krajowy.
• Kort, D. A. (2002). Steel sheet pile walls in soft soils. Delft University Press — badanie pełnoskalowe w Pernis.
• Bourne-Webb, P. J., Potts, D. M., Rowbottom, D. (2011). Eurocode reduction factors for U-profile sheet pile walls. Proc. ICE, Structures and Buildings 164(SB6).
• Byfield, M. P., Crawford, R. J. (2003). Oblique bending in U-shaped steel sheet piles. Proc. ICE, Structures and Buildings 156.
• Kwarciński, P., Rybak, J. (2008). Wpływ poślizgu w zamkach grodzic typu U na ich nośność, cz. 1 i 2. Geoinżynieria: Drogi Mosty Tunele 02/2008 i 04/2008.
• Lohmeyer (1937). Die Bautechnik — pierwsze opisy zagadnienia; EAU — niemieckie zalecenia dla budowli nabrzeżnych; PN-EN 12063 — wykonawstwo ścianek szczelnych.
• Margiciok W. (2D Projekt), Kwiecień S.: Wpływ poślizgu zamka na przemieszczenia ścianki szczelnej zabezpieczającej głęboki wykop – praca magisterska – Politechnika Śląska