+36 30 278 0733
UNDERPINNING OF NURSERY SCHOOL BUILT ON LANDFILL
Dr. Román Zsolt(1)
(1)Terra-Vallum Kft.
A csavartányéros cölöpök egyik alkalmazási területe az alapozások utólagos megerősítése. 2020-ban végeztük el az első ilyen jellegű hazai alácölöpözést. A megsüllyedt óvoda több, mint 3m vastag hulladékkal szennyezett feltöltésre épült, vasalatlan, csömöszölt beton alapokkal, következésképpen az épület jelentős süllyedéseket szenvedett. A megerősítés során a teherhordó falak mellett 57db csavartányéros cölöpöt hajtottunk le 6-8m mélységben. A mértékadó cölöperő 140kN volt. A cölöp és az alap között egyedi acél szerelvény teremt kapcsolatot. Az acélszerelvény rögzítése után a cölöpre való átterhelés hidraulikus munkahengerekkel történt. Bemutatjuk az alkalmazott technológiát, a cölöp geotechnikai és acélszerkezeti tervezését, kitérünk a cölöpfej erőjátékára és a felszerkezet ellenőrzésének kérdéseire.
Underpinning is one of the applications of helical piles. We did the first helical pile underpinning in Hungary in 2020. The kindergartner building was built on 3m deep heavily contaminated landfill. Its foundation was unreinforced lean concrete, leading to considerable settlements and crackings. We installed 57 helical piles along the load-bearing walls in 6- 8m depth. Pile reaction force was 140kN. The pile and the structure is connected by a steel bracket. Loading of the pile is done using a hydraulic cylinder. We introduce the technology, the geotechnical and structural design of the piles, and we address the evaluation an design of the supersturcture and its connection to the pile.
csavartányéros cölöp, alácölöpözés, megerősítés, helical pile, underpinning
A helyiek elmondása szerint (homokkitermelés miatti) mély, vízzel telt gödör volt régen az érintett területen. Ezt az 1881-es kataszteri térkép is alátámasztja. A 1970-es években a gödör szemétlerakóként szolgált, és az évek alatt teljesen fel lett töltve. Az óvoda 2003-ban épült, tetőtérbeépítésre tervezett, 30cm-es téglafalas szerkezet, amely előregyártott gerendás födémmel készült. Az eredeti tervek és kivitelezési dokumentáció nem maradt fent. 3m mélységig inhomogén feltöltéses zóna volt található, homok, szerves iszap, szerves iszapos homok, homokos iszap és sovány agyag összetételben. A mélyebb rétegek homok, homokos iszap, sovány agyag voltak, 7-8 m mélységben tömör kavicsos homok volt.
Az épület alapozását a terepszint alatt 110cm-rel alakították ki. A 70x80cm vasalatlan sovány beton sávalap tetején 50x30cm-es ismeretlen vasalású gerenda fut végig. A betonszilárdság a roncsolásmentes mérések alapján min. C20/25 minőségű.
Az inhomogén, feltöltött talajon épült épület jelentős süllyedéseket szenvedett. Számos helyen repedések jelentek meg, különösen a válaszfalakban és teherhordó falakban a sarkoknál. Több helyen a falban megjelent süllyedési repedések folytatódtak a csömöszölt betonban is. Az alaptörés igazolható volt utólagos számítással is: az inhomogén zónában Es = 2 MN/m2 értékkel számolva, és az ágyazást lokálisan (feltételezett helyeken) még jobban lecsökkentve a vasalatlan alaptest nyírás-csavarás interakciója használhatósági határállapotban is 130% fölötti kihasználtságot mutat.
1. ábra Repedések
2. ábra Repedések
A csavartányéros acél cölöpök talajkiszorításos, álló cölöpök, előregyártott, moduláris rendszerű, a földbejuttatás csavarással történik.
3. ábra Tipikus csavartányéros vezetőelem, és az alácölöpözésként
való felhasználása
A csavartányérok teszik lehetővé a csavarással történő földbehajtást, de a teherhordás is ezeken keresztül valósul meg. A teherhordás módja a csavartányérok távolságának és talajparaméterek függvényében két típus lehet: független talajtörési ellenállások összege, vagy csoportos, palást menti talajszakadás.
4. ábra Teherviselési módok (b) és az alácölöpözés megterhelése (j)
A toldócsövek használatával a csavartányérok a kívánt mélységbe juttathatók. A mélyebb és kötöttebb, tömörebb talajrétegekbe érve fokozatosan nő a csavarási nyomaték. Ez a csavarónyomaték korrelációban áll a cölöp várható teherbírásával, hasonlóan a vert cölöpöknél alkalmazott ütésszámokhoz és verési képletekhez. Az alácölöpözési munkáknál a cölöpöt a meglévő alapsík mellett, függőlegesen vagy enyhén döntött szögben (5-10°) hajtják le. A cölöp külpontosan csatlakozik az épület alapozásához. A kapcsolatot egy acélszerelvény biztosítja, amely nem csak az erőátadást, hanem a cölöpre való átterhelést, vagy a szerkezet emelését is lehetővé teszi. Az alácölöpözés technológiája sok tekintetben hasonlít a sajtolt cölöpök módszeréhez.
Az alábbiakban felsoroljuk a csavartányéros alácölöpözés során figyelembe vett tönkremeneteli módokat, és a vonatkozó méretezési módszereket.
1. Vizsgált viselkedés: talajtörési ellenállás (GEO)
módszer: csavartányérok távolsága szerkesztési szabályok szerint
van felvéve, így zárva ki a hengerpalást nyírásának
tönkremenetelét. A talajtörési ellenállás Meyerhof módszerével
történik, talajparaméterek alapján.
2. Vizsgált viselkedés: cölöp szilárdsági ellenőrzés (lehajtás)
módszer: teherbírás-nyomaték korrelációból számolt behajtási
nyomatékra szilárdságtani ellenőrzés. Hegesztések, nyírt csapok
kapcsolatainak vizsgálata.
3. Vizsgált viselkedés: csavartányérok szilárdsági ellenőrzés (STR)
módszer: táblázatos érték a végeselemes számítások és
próbaterhelések alapján
4. Vizsgált viselkedés: cölöp stabilitási ellenőrzés (STR)
módszer: talaj rugalmas ágyazását figyelembe vevő végeselem
számítással számolt kihajlási ellenállás.
5. Vizsgált viselkedés: élettartam
módszer: MSZ EN szerinti korróziós ráhagyással
6. Vizsgált viselkedés: cölöpöt felszerkezethez kapcsoló acélszerelvény
Az 5. ábra mutatja a különböző erőjáték lehetőségeket a cölöp és a
felszerkezet között.
5. ábra Cölöpfej és felszerkezet közötti erőjáték
Az (a,) esetben a cölöp merevsége dominál: ez ritka eset, pl. olyan alaptest esetén, amelynek végei szabadon állók, nincsenek befogva csavarás ellen.
A (b,) esetben a felszerkezet merevsége dominál: ez többnyire teljesül, és alkalmas a kapcsolat vizsgálatára.
A (c,) a külpontosság által okozott csavarónyomaték megoszlik a cölöp és a sávalap között. A sávalapok csavarását térbeli végeselem modellel vizsgálva:
6. ábra Végeselemes vizsgálatok
Az alaptest oldalát a falsíkkal egy síkban le szokás vésni, így csökkenthető az alátámasztás külpontossága. A külpontosság mértékét így 20cm alá sikerült csökkenteni. Másik módszer a külpontosság csökkentésére a felváltva, a fal mindkét oldalán telepített cölöpök alkalmazása. A csavarás jelentősen csökkenthető, de nem minden esetben kivitelezhető, az óvoda megerősítése során sem volt erre lehetőség. A csavarás-nyírás interakció kihasználtság 80%-ra adódott a beton alaptestek esetében.
A tervezés előkészítéseként próbaterhelést végeztünk az épület közvetlen közelében. A próbaterhelés eredménye az 7. ábrán látható. A cölöp két csavartányérral készült (250mm+300mm), a célként meghatározott behajtási nyomaték eléréséig lett lehajtva, a 10.000 Nm-t 7m-en értük el.
7. ábra Próbaterhelés
A próbaterhelt cölöp teherbírását a szakirodalomban az álló cölöpökre elfogadott, átmérő 8%-át alapul vevő módszert használtuk, kiegészítve a rugalmas összenyomódással. Az Rc;m teherbírás 250 kN-ra adódott, a hozzá tartozó elmozdulás 31mm. A karakterisztikus cölöp teherbírás: Rck
= 179 kN. A tervezési cölöp teherbírás Rcd = 163 kN.
A számított legnagyobb ULS reakcióerő egy cölöpre 140kN. Az ehhez tartozó elmozdulás 13mm. A próbaterhelés alapján a cölöp megfelelt. A nyomaték korreláció alapján becsült teherbírás 300kN, szemben a mért 250kN-nal.
8. ábra Próbaterhelés eredménye
Munkaárok létesült körben az alap körül, az alapozási síkig. Ebben kerültek telepítésre a cölöpök átlagosan 2m-ként. A lehajtás során az erősen szennyezett talajban akadályokba ütköztünk, amiket néhol előfúrással, néhol kiegészítő fúróhegy felhegesztésével kellett kikerülni. A földből többek közt gumiabroncsok, műanyagfóliák, kötelek, drótok, hordók kerültek elő. Az akadályoknál többnyire 6-7 tonnás előtolásra volt szükség a lehajtáshoz. A cölöpök 6-8 méter közötti mélységekben érték el a szükséges behajtási nyomatékot.
9. ábra Cölöplehajtás beltérben
10. ábra Cölöplehajtás szennyezett talajban
11. ábra Beltéri cölöpök
12. ábra Szerelvényezett cölöpök szintrevágás előtt
Az acélszerelvények felfekvése a beton vésése miatt nem volt egyenletes, a hézagokat a ragasztott dübelezés után zsugorodásmentes kiöntőhabarccsal töltöttük ki.
Az acélszerelvény összeállítása során a szintrevágott cölöp bekötésre kerül a szerelvénybe, és bekerülnek a cölöp lezárófeje, és a megterhelést biztosító menetes szárak. A megterhelést kézzel vezérelt hidraulikus munkahengerekkel végezzük, egyenként. A cölöp megterhelése a cölöpre jutó, számolt SLS önsúly értékével történt, ez 120 kN volt átlagosan. A cölöp megterhelése után a rögzítő anyák lekötése után többször is ellenőriztük a kúszásokat. 1 nap után és 3 nap után tapasztaltunk egyre csökkenő nyomásvesztést, a harmadik ellenőrzésre 1 héttel később került sor, ekkor már nem tapasztaltunk kúszást.
A szerelvények a teherviselés és teherátadás szempontjából kiemelten fontos tartószerkezeti elemek, és a felszínközeli, homokos talajban ki van téve a korróziós hatásoknak. Ezért az acélszerelvény tűzihorganyzással készült, a menetes szárak, különösen azok vágott felületei, valamint az anyák modifikált bitumenes védőréteggel lettek ellátva. Ezt követően kerültek betemetésre a munkaárkok.
13. ábra Szerelvényezett cölöpök
14. ábra Megterhelt, lekezelt cölöpök
A csavartányéros alácölöpözés megfelelő megoldásnak bizonyult, mert:
A beltérben korlátozottak voltak a gépesítési lehetőségek, a kézi gépekkel kisebb nyomatékot és kisebb előtolást lehet csak elérni, így szükség volt a speciális fúróhegyekre, és a sűrűbb cölöpkiosztásra.
A technológiát eredményesen lehet használni megsüllyedt, megerősítendő, visszaemelendő szerkezetek esetén, pl.: épületek, medencék. Kis gépesítési igénye, száraz technológiája optimális megoldássá teszik olyan helyeken is, ahol a tisztaság és a csend számít.
