Numeryczna a standardowa analiza pracy fundamentu obiektu zabytkowego

Transkrypt

1 Numerycna a stanarowa analia pracy funamentu obiektu abytkoweo Prof. r hab. inż. Jarosław Prewłócki Politechnika Gańska, Wyiał Architektury r inż. onika Zielińska Politechnika Gańska, Wyiał Architektury, Wyiał Inżynierii Ląowej i Śroowiska Właściwa analia pracy funamentów obiektów abytkowych jest baro truna, a niera i niemożliwa. Wpływa na to wiele cynników. Z jenej strony nie awse jest możliwe okłane roponanie położa runtoweo lub precyyjne wynacenie parametrów fiycnych i mechanicnych materiału funamentu. Najcęściej nienana jest historia obciążenia albo sereu różnych jawisk, wpływających w presłości na aktualny stan i achowanie się funamentu. W wielu starych funamentach występują kamienie łamane lub polne, a także ceły, które tracą wartość po wpływem różnych cynników. Niemiernie istotne jest również określenie stanu aprawy wiążącej posceólne elementy. W prypaku funamentów rewnianych postawowe nacenie ma określenie stopnia butwienia pali lub rustu. Z ruiej strony brak jest otychcas ścisłych meto matematycnej analiy współpracy położe konstrukcja uwlęnieniem historycnej natury i stanu funamentu. ożna atem jeynie w mniej lub bariej okłany sposób osacować achowanie się starych funamentów. W światowej i krajowej literature jest niewiele wartych opracowań poświęconych funamentom obiektów abytkowych [4, 5]. Jesce mniej publikacji otycy analiy ich achowania się [1, 3]. W niniejsej pracy, na prykłaie konkretneo obiektu abytkoweo, preprowaono analię pracy jeo funamentu na postawie obowiąujących norm [8], a także w oparciu o oblicenia numerycne proramem Abaus. bieu ulic Staromiejskiej, Lelewela i Piastowskiej (rys. 1a). Jest to obiekt abytkowy (wpisany o rejestru abytków), a oatkowo najuje się on w obrębie ukłau urbanistycneo stareo miasta, objęteo ochroną konserwatorską. Buynek pełni funkcję popiwniconej kamienicy, mającej try konynacje i poase prykryte achem jenospaowym. Oparty jest on na rucie wyłużoneo prostokąta, łuim bokiem pryleającym o ulicy Lelewela. Jeo wysokość wynosi 15,65 m. W latach preprowaono eneralny remont buynku mający na celu apobieżenie alsej ewastacji obiektu, apewnienie statecności, otworenie awnych walorów abytkowych ora ostosowanie o nowej funkcji. ewitaliacja obejmowała, mięy innymi, amianę konstrukcji stropów rewnianych na stalowo betonowe ora konstrukcji achu rewnianej na stalową. Wrost obciążeń spowoował koniecność wmocnienia kamiennych funamentów metoą obustronneo pobicia. Zabie ten powolił na więksenie wysokości pomiesceń piwnicnych, ięki cemu moą one służyć jako pomiescenia użytkowe. Funamenty omawianeo buynku są prykłaem typowych funamentów kamiennych XVI w (rys. 2). Na łuości buynku wymiary funamentu ora łębokość posaowienia mieniają się nienacnie. Do analiy pryjęto funament o serokości 0,57 m, wysokości 0,87 m ora łębokości posaowienia 2,20 m. Funament jest posaowiony na położu spoistym. OPIS OBIEKTU WAUNKI GEOTECHNICZNE Analię statycną funamentu preprowaono na prykłaie buynku lokaliowaneo w śrómieściu Olstyna, pry Położe runtowe, na którym jest posaowiony funament, skłaa się 3 warstw (rys. 3). a) b) ys. 1. Zabytkowa kamienica pry ulicy Staromiejskiej w Olstynie: a) fotorafia, b) moel 28 INŻYNIEIA OSKA I GEOTECHNIKA, nr 1/2015

2 a) b) ys. 2. Wiok kamiennej ściany funamentowej: a) pre i b) po renowacji Na postawie baanych warunków runtowych określono parametry eotechnicne posceólnych warstw, korystając wartości charakterystycnych anych runtów amiesconych w normie ora postawowych ależności mięy właściwościami runtu. Pierwsą warstwę stanowi lina pylasta o wskaźniku plastycności I L = 0,33 i ciężare objętościowym γ = 20,39 kn/m 3. Drua warstwa jest buowana liny piascystej o wskaźniku plastycności I L = 0,39 i = 20,90 kn/m 3, natomiast trecią warstwę stanowi lina więła o I L = 0,10 i = 21,41 kn/m 3. Poostałe parametry potrebne o analiy estawiono w tabl.1. iążsość posceólnych warstw jest różnicowana i sięa o łębokości 0,5 m o 2,50 m. Ze wlęu na rui stan ranicny o analiy wybrano najbariej niekorystny frament prekroju eotechnicneo (rys. 3). ANALIZA NUEYCZNA ys. 3. Prekrój eotechnicny pryjęty o analiy (sceół A) Analiując każy funament, a atem i posaowienie obiektu abytkoweo, powinno sprawić się wa postawowe warunki normowe, cyli stan ranicny nośności ora stan ranicny użytkowalności. W tym celu jest niebęne wynacenie maksymalnych naprężeń po postawą funamentu i w położu. Analię numerycną ropocęto o wykonania całeo moelu obiektu kamienicy w proramie Abaus, łącnie niebęnymi o jej preprowaenia sceółami. Siatkę ES fun- Tabl. 1. Zestawienie parametrów eotechnicnych Lp. oaj Symbol konsoliacji I L γ [kn/m 3 ] Kąt tarcia wewnętrneo [ o ] Spójność Współcynnik tarcia v Współcynnik konsoliacji o [Pa] [Pa] 1. Glina pylasta B 0,33 20,39 15,8 28,00 0,26 0,29 0,75 27,02 36,03 2. Glina piascysta więła A 0,39 20,90 18, ,30 0,25 0,90 30,09 33,44 3. Glina więła A 0,10 21,41 23,3 39,00 0,39 0,25 0,90 60,01 66,68 INŻYNIEIA OSKA I GEOTECHNIKA, nr 1/

3 a) b) ys. 4. Położe wra funamentem kamiennym: a) wiok, b) moel ES amentu stworono raniastosłupów o postawie trójkątów i cworokątów. Licba wyenerowanych węłów w proramie Abaus wynosi 3567, natomiast samych elementów funamentu około Na tej postawie określono pracę całej konstrukcji ora wybrano miejsce w poiomie funamentów stanowiące najbariej niekorystną kombinację (rys. 1b). Funament obciążono ciężarem własnym ora obciążeniem pochoącym o konstrukcji buynku (stałym i miennym). Całkowite obciążenie, jakie pryłożono o funamentu, wyniosło 171,40 [kn/m]. Ciężar funamentu kamienneo pryjęto jako 19,5 [kn/m 3 ]. oel ES (etoy Elementów Skońconych) funamentu abytkoweo wykonano w proramie Abaus na baie okumentacji projektowej obiektu [5]. Elementy, które posłużyły o wykonania moelu funamentu ora profilu eotechnicneo stanowią roaj elementów bryłowych (soli), ie w każym Obiekt Tabl. 2. Zestawienie wyników SGU ora SGN Osiaanie U [cm] Skłaowe pionowe naprężenia Funament kamienny 1,19 328,0 wierchołku występuje 6 stopni swoboy (3 presunięcia ora 3 obroty). Wiok ora moel ES położa wra funamentem pokaano na rys. 4. Siatkę ES profilu eotechnicneo, poobnie jak funamentu, wykonano raniastosłupów o postawie trójkątów i cworokątów. Licba wyenerowanych węłów w proramie Abaus wynosi około 5827, a licba elementów jest równa Połącenia mięy warstwami amoelowano jako sprężyste, umożliwiające presunięcia warstw runtu wlęem siebie. a) b) ys. 5. Wiualiacja wyników obliceń numerycnych: a) osiaanie funamentu, b) skłaowe pionowe naprężenia w położu runtowym 30 INŻYNIEIA OSKA I GEOTECHNIKA, nr 1/2015

4 Na rys. 5 prestawiono raficnie wyniki osiaań i skłaowych pionowych naprężenia w położu i w funamencie. Ostatecne wyniki analiy numerycnej uyskane proramem Abaus, tj. maksymalne osiaanie ora maksymalne skłaowe pionowe naprężenia po funamentem estawiono w tabl.2. STANY GANICZNE Pry obliceniach wełu stanu ranicneo nośności wełu EC7 powinien być spełniony następujący warunek [7]: V ie: V wartość obliceniowa iałająceo obciążenia, nośność obliceniowa położa runtoweo. Pryjmując o obliceń następujące parametry eotechnicne liny pylastej: cʹ = 28 kpa, f = 15,8, = 20,39 kn/m 3, pionowe obciążenie obliceniowe V = 201,07 kn/m ora poostałe wielkości wełu EC 7: a = 0, Bʹ = 0,57 m, Lʹ = 5,00 m, otrymano kolejno: współcynniki nośności t N e π f f = t 45 + = 4,17 2 N = ( N 1) ct f= 11, 36 c N = 2 ( N 1) t f= 1, 77 współcynniki nachylenia postawy b = b c = 1,0 ora współcynnik nachylenia obciążenia i c = i = i = 1,0 współcynniki kstałtu postawy s B = 1 + sin f= 1,15 L B s = 1 0, 3 = 0,83 L s N 1 sc = = 1, 20 N 1 Biorąc powyżse po uwaę, nośność ranicną położa runtoweo wynacono woru: = A f = A c Nc bc sc ic + N b s i + + 0,5 B N b s i = 317,78kN m Z kolei, pryjmując cęściowy współcynnik bepieceństwa =1,4, nośność obliceniowa położa runtoweo wynosi: 317, 78 = = = 226,98kN m 1, 4 Porównując nośność obliceniową iałającym obciążeniem, można stwierić, że nośność położa po funamentem jest wystarcająca: = 226,98kN m > V = 201,07 kn m Niemiernie istotnym aanieniem pry ocenie achowania się starych funamentów są okstałcenia runtu, pree wsystkim osiaania. Co prawa obowiąujące normy ściśle precyują, kiey ma być sprawany stan ranicny użytkowalności, jenak w prypaku analiy funamentów obiektów abytkowych należy pochoić o aanienia niestanaro- Tabl. 3. Oblicenie osiaania funamentu Nr Grunt ęna śroka warstwy Grubość warstwy = r [kn/m 3 ] σh 0 [Pa] [Pa] s / B n s / Bw n m sʹ [mm] sʹʹ [mm] 1 2 lina pylasta lina piascysta więła 0 20,39 44,86 44,86 318,10 273,24 0,125 0,25 20,39 47,41 27,02 36,03 0,22 0,85 0,21 0,95 42,62 270,39 227,77 2,11 0,30 0,375 0,25 20,39 52,51 27,02 36,03 0,66 0,62 0,63 0,75 33,64 197,22 163,58 1,51 0,23 0,625 0,25 20,39 57,60 27,02 36,03 1,10 0,48 1,04 0,53 23,77 152,69 128,91 1,19 0,16 0,875 0,25 20,39 62,70 27,02 36,03 1,54 0,38 1,46 0,41 18,39 120,88 102,49 0,95 0,13 1,125 0,25 20,39 67,80 27,02 36,03 1,97 0,31 1,88 0,32 14,35 98,61 84,26 0,78 0,10 1,375 0,25 20,90 72,96 30,09 33,44 2,41 0,27 2,29 0,28 12,56 85,89 73,33 0,61 0,09 1,625 0,25 20,90 78,19 30,09 33,44 2,85 0,22 2,71 0,23 10,32 69,98 59,68 0,50 0,08 1,875 0,25 20,90 83,42 30,09 33,44 3,29 0,2 3,13 0,20 8,97 63,62 54,65 0,45 0,07 2,125 0,25 20,90 88,64 30,09 33,44 3,73 0,18 3,54 0,18 8,07 57,26 49,18 0,41 0,06 2,375 0,25 20,90 93,87 30,09 33,44 4,17 0,17 3,96 0,16 7,18 54,08 46,90 0,39 0,05 2,625 0,25 20,90 99,09 30,09 33,44 4,61 0,15 4,38 0,15 6,73 47,72 40,99 0,34 0,05 2,875 0,25 20,90 104,32 30,09 33,44 5,04 0,12 4,79 0,13 5,83 38,17 32,34 0,27 0,04 S = 12,63 mm INŻYNIEIA OSKA I GEOTECHNIKA, nr 1/

5 naprężenie pierwotne σ = h n i= 1 rh i naprężenia wtórne σ =σ s = 0 D s s = 0 η 0 σ =σ naprężenia minimalne σ =σ σ m s h naprężenia oatkowe σ = σ σ =σ η s = 0 = 0 0 naprężenia całkowite t m s σ =σ h +σ +σ osiaanie s = s + s i i i σihi s i = oi σsihi s i = λ i ys. 6. Naprężenia w położu runtowym wo. Tutaj wpływ na oatkowe eformacje położa ma wiele cynników nienanych albo nie o końca baanych (różne oiaływania w presłości, reoloia, butwienie rewna, it.). W alsym ciąu, o pełnej, a jenoceśnie porównawcej analiy, oblicono również osiaania ropatrywaneo funamentu, wykorystując najcęściej stosowaną obecnie tw. metoę okstałceń jenoosiowych. Wyniki obliceń tą metoą estawiono w tabl. 3, natomiast wykresy rokłau naprężenia wra e schematem funamentu pokaano na rys. 6. Całkowite osiaanie funamentu wyniosło 12,63 mm. WNIOSKI Ocena pracy funamentów obiektów abytkowych jest aanieniem łożonym, wymaającym wielu specjalistycnych baań i anali. Ilościową ocenę można preprowaić mniej lub bariej robuowanymi metoami obliceniowymi. W ropatrywanym prypaku wyniki otrymane metoą numerycną (pry wykorystaniu proramu Abaus), baującą na yskretyacji ośroka runtoweo i funamentu siatką elementów skońconych, okaały się one uyskanymi metoą normową (stanów ranicnych). LITEATUA 1. Darińska I.: Analia wybranych aanień funamentowania obiektów abytkowych. Praca oktorska, Politechnika Gańska, Gaomski W., Gaomski P.: Projekt wielobranżowy - emont, prebuowa i miana sposobu użytkowania poasa kamienicy lokaliowanej w Olstynie pry ul. Staromiejskiej 6 (. nr 59 obr 64) ora buowa pryłąca kanaliacji escowej, Olstyn, Kerisel J.: Ol structure in relation to soil conitions. Geotechniue, 25, No. 8, , Prewłócki J., Darińska I., Świniański J.: eview of historical builins founations. Geotechniue, Vol. 55, No. 5, s , Verbrue J. C., ammer Y.: ears aujour hui sur les fonations u passé. eprise en sous-œuvre et patrimoine culturel immobilier, Auitorium es oulins e Bee (Namur), 15-22, Wiłun Z.: Zarys Geotechniki, Wyawnictwo Komunikacji i Łącności, Warsawa, PN-EN i 2, Euroko 7, Projektowanie eotechnicne, INŻYNIEIA OSKA I GEOTECHNIKA, nr 1/2015