Publikacje

Grodzice winylowe, wykonane z wytrzymałego i odpornego materiału, zyskują popularność ze względu na swoją wszechstronność. Ich zastosowania obejmują małe mury oporowe, tymczasowe prace ziemne, stabilizację zboczy, obudowy kanałów oraz nawet ochronę przed odpryskami wokół fundamentów mostów.

Jedną z kluczowych zalet grodzic winylowych jest łatwość transportu i możliwość wykorzystania materiałów z recyklingu. Rozwiązanie to eliminuje konieczność użycia ciężkiego sprzętu budowlanego, co przekłada się na zminimalizowanie kosztów logistycznych. Ponadto, grodzice winylowe nie ulegają korozji, w przeciwieństwie do tradycyjnych konstrukcji stalowych, co przekłada się na ich długotrwałą wytrzymałość w agresywnych środowiskach.

Grodzice winylowe wykazują także wyjątkową odporność na warunki atmosferyczne, wodę morską oraz ekstremalne temperatury. Ich estetyczny wygląd sprawia, że są odpowiednie do różnych warunków bez konieczności konserwacji lub ochrony antykorozyjnej.

Kluczowe aspekty projektowania

Podstawowa analiza geotechniczna opiera się na standardach stosowanych w tradycyjnych murach oporowych, choć uwzględniając specyficzne właściwości materiału. Warto zauważyć, że projektowanie grodzic winylowych wymaga pewnych modyfikacji w porównaniu z ich stalowymi odpowiednikami. Ze względu na niższą wytrzymałość PVC, dopuszczalne siły wewnętrzne są zmniejszone. Dodatkowo, należy uwzględnić specyficzność materiału i możliwość zmiany jego parametrów w czasie, pod wpływem czynników środowiskowych i warunków obciążenia.

W projektowaniu grodzic winylowych istotnym aspektem staje się nie tylko analiza naprężeń, ale przede wszystkim dopuszczalne przemieszczenia. W warunkach długotrwałego obciążenia, przemieszczenia grodzic winylowych stają się kluczowym kryterium określającym ich wymiary.

Zgodnie z PN-EN 1997-1 w projektowaniu trwałości materiałów stosowanych w gruncie zaleca się uwzględniać dla materiałów z tworzyw sztucznych skutki starzenia, spowodowane działaniem promieni ultrafioletowych lub ozonu, albo połączone efekty jednoczesnego działania temperatury i naprężenia, oraz wtórne efekty wynikające z degradacji chemicznej. Przyjęcie odpowiedniego podejścia do tych czynników jest konieczne, aby zapewnić trwałość i wytrzymałość grodzic winylowych w środowiskach wodno-gruntowych.

Należy uwzględnić także efekty długotrwałego obciążenia, znane jako pełzanie. Projektanci muszą również dokładnie analizować wpływ temperatury grodzic, warunków atmosferycznych oraz właściwości elektrochemicznych otaczającego gruntu. Ponieważ grodzice winylowe są narażone na te czynniki, ich długotrwała charakterystyczna wytrzymałość na rozciąganie R_B,k jest kluczowym parametrem. Wartość R_B,k jest określana przez uwzględnienie czterech czynników redukcyjnych A1, A2, A3 i A4, które odzwierciedlają wpływ pełzania, temperatury, warunków atmosferycznych i czynników środowiskowych na trwałość materiału grodzic. Te czynniki są orientacyjne i oparte na aktualnej wiedzy, jednak projektanci mogą przeprowadzić szczegółowe badania, aby dostosować je do konkretnego projektu i przyjąć mniej restrykcyjne wartości:

Jeśli kształtownik jest chroniony przed czynnikami atmosferycznymi w ciągu jednego miesiąca, można przyjąć współczynnik redukcyjny A3 = 1.0 przez cały okres użytkowania.

Tradycyjne metody analizy, takie jak metoda równowagi granicznej lub analiza stanu granicznego, mogą nie być optymalne dla grodzic winylowych. Ich elastyczność oznacza, że wartość i rozkład ciśnienia gruntu, sił wewnętrznych i momentów zginających silnie zależą od sztywności konstrukcji, sztywności i wytrzymałości gruntu oraz stanu naprężenia w gruncie. Co więcej, stosowanie klasycznych metod obliczeniowych może prowadzić do przeszacowania przemieszczeń grodzic winylowych, zwłaszcza biorąc pod uwagę ich większą podatność w porównaniu z grodzicami stalowymi. Ostateczny wybór metody analizy leży po stronie projektanta, jednak zaleca się korzystanie z bardziej wszechstronnych pakietów oprogramowania lub zaawansowanych metod obliczeniowych. Warto również zauważyć określenie kąta tarcia δ na interfejsie między ścianą a gruntem.

Zakładając, że grodzice plastikowe są "mało szorstkie", wartość kąta tarcia  na powierzchni styku ściany i gruntu zaleca się określić za pomocą wzoru:

Według normy DIN 16456-2 można założyć, że czynnik k=0,5.

Tak, jak dla stalowej ścianki szczelnej wbijanej w gruntach spoistych, zaleca się przyjmować, że bezpośrednio po jej wbiciu występują warunki bez odpływu, co uzasadnia pomijanie w początkowym okresie oporu tarcia i przyczepności. Wzrost tych wartości może mieć miejsce dopiero po pewnym czasie, co należy uwzględnić w analizie (analogicznie jak w przypadku grodzic stalowych). Dowód w stanie granicznym powinien być przeprowadzony zgodnie z teorią sprężystości.

Stan graniczny nośności

Przy projektowaniu i weryfikacji nośności ścian oporowych wykonanych z grodzic winylowych stosuje się zasady określone w normie DIN 16456-2. Proces ten obejmuje kompleksową analizę geotechnicznych mechanizmów zniszczenia oddziałujących na konstrukcję oporową, uwzględniając zarówno wytrzymałość materiałową, jak i bezpieczeństwo konstrukcyjne.

Nośność obliczeniową  grodzicy wyznacza się na podstawie charakterystycznej wytrzymałości długotrwałej  według wzoru:

Wartość YM oznacza częściowy współczynnik bezpieczeństwa materiału grodzicy.

Warunek nośność przekroju jest spełniony, gdy zachowane jest równanie:

Gdzie:

E_d oznacza wartość obliczeniową oddziaływania a miarodajna dla wymiarowania jest wytrzymałość w najwyższej oczekiwanej temperaturze.

Grodzice winylowe przechodzą weryfikację pod kątem zginania i ścinania. Przy braku siły ścinającej i podłużnej, warunek nośności przekroju obciążanego momentem M_Ed, obliczony moment zginający musi być mniejszy lub równy obliczonej nośności przekroju grodzicy obciążonej M_C.Rd:

gdzie W oznacza wskaźnik wytrzymałości grodzicy, a R_b,k jest charakterystyczną wartością długotrwałej wytrzymałości na rozciąganie.

Weryfikacja grodzic winylowych pod kątem siły ścinającej obejmuje warunek graniczny dla przekroju pod działaniem siły ścinającej V_Ed, która musi być mniejsza lub równa obliczonemu obciążeniu ścinającemu (V_Rd). Nie jest wymagana redukcja nośności przy zginaniu   jeżeli obliczeniowa siła ścinająca  została ograniczona do połowy nośności obliczeniowej na ścinanie .

Chociaż grodzice winylowe nie są głównie projektowane do przenoszenia obciążeń pionowych, mogą być one poddane takim obciążeniom w określonych sytuacjach. W takich przypadkach konieczne jest przeprowadzenie analiz nośności i stabilności pod obciążeniem pionowym zgodnie z normami PN-EN 1997-1, a także sprawdzenie nośności i stabilności przekroju pod działaniem zginania i ściskania.

Wartości oporu pobocznicy i podstawy grodzic, można przyjąć tak, jak dla grodzic stalowych wg EAB (German Geotechnical Society, 2014), analogicznie do grodzic stalowych. To spójna zasada pozwala na wykorzystanie doświadczeń wynikających ze stosowania grodzic stalowych, jednocześnie dostosowując je do specyfiki grodzic winylowych. 

Stan graniczny użytkowalności

Charakterystyka grodzic z tworzyw sztucznych w zakresie analizy naprężeń i odkształceń pokazuje, że w porównaniu ze stalą lub betonem, występują większe odkształcenia i to ta właściwość może decydować o projektowaniu takich ścian oporowych.  Przy małych obciążeniach pełzanie nie stanowi problemu, ponieważ odkształcanie jest bardzo powolne, jednak przy większym obciążeniu i wyższej temperaturze odkształcenie pełzania może przyspieszyć, co powinno być uwzględnione podczas projektowania i oceny użyteczności takich konstrukcji. Przy obliczaniu odkształceń należy uwzględnić naprężenia i odkształcenia nieliniowe, a także wpływ temperatury.

 Kryteria dotyczące stanu granicznego użyteczności obejmują kilka istotnych aspektów. Po pierwsze, należy przeanalizować wartości graniczne odkształceń niezbędne do zapewnienia użytkowalności samej ściany oporowej. Po drugie, należy wziąć pod uwagę ograniczenia przemieszczeń poziomych, osiadań pionowych lub wibracji, niezbędne do zapewnienia użytkowalności konstrukcji bezpośrednio połączonych lub przylegających do samej ściany oporowej.

Sprawdzenie stanu granicznego użytkowalności należy przeprowadzić dla odpowiednich sytuacji obliczeniowych zgodnie z normą PN EN 1997-1 która zawiera instrukcje dotyczące ustalania wartości granicznych i procedur obliczeniowych.

Nie istnieją uniwersalne wytyczne dotyczące dopuszczalnego przemieszczenia, ale wartości 1.5% wysokości ścianki są zazwyczaj uznawane za dopuszczalne. Ostatecznie warunek ten zależeć będzie od wrażliwości otoczenia projektowanej ścianki lub innych specjalnych wymagań danego projektu.

Podsumowanie

Warto zauważyć, że tradycyjna metodologia obliczeniowa opracowana dla grodzic stalowych, koncentruje się przede wszystkim na analizie naprężeń jako kryterium wymiarowania. W przypadku grodzic winylowych, których materiał charakteryzuje się większą podatnością na odkształcenia, wymiarowanie jest raczej warunkowane przez przemieszczenie konstrukcji, a nie stan nośności. Powyższy warunek, szczególnie w kontekście podatności na zginanie, jest kluczowy.

Aspekty bezpieczeństwo i użyteczności projektowanej budowli są najważniejsze, szczególnie w sytuacji, gdy są one uzależnione od właściwego działania drenażu.  Z reguły zaleca się montaż drenażu za konstrukcją z grodzic. Należy szczegółowo przeanalizować konsekwencje braku działania drenażu, uwzględniając zarówno bezpieczeństwo, jak i koszty ewentualnego remontu.

Projektując konstrukcje z grodzic winylowych należy zastosować podejście holistyczne, uwzględniając zarówno aspekty konstrukcyjne, jak i funkcjonalne, w celu zapewnienia trwałości i skuteczności murów oporowych z grodzic winylowych.

Zastosowanie normy DIN 16456-2 dostarcza kompleksową metodologię weryfikacji nośności konstrukcji wykonanych z grodzic winylowych, pozwalając na precyzyjne dostosowanie metodyki obliczeń do konkretnych warunków i wymagań projektowych. Dzięki analizie naprężeń i odkształceń oraz prawidłowemu ustaleniu wartości granicznych i ograniczeń odkształceń można zapewnić bezpieczne i efektywne wykorzystanie grodzic winylowych w praktyce budowlanej.

Szczegółowa analiza poświęcona projektowaniu konstrukcji z grodzic winylowych jest dostępna na naszej platformie obliczeniowej Designer 3.0.

Bibliografia

1. Amorim F.C., Souza J.F.B., Mattos H.S., Reis J.M.L., Temperature effect on the tensile properties of unplasticized polyvinyl chloride, DOI: 10.1002/pls2.10067, 14.12.2021
2. Army Corps of Engineers, A study of the Long-Term Applications of Vinyl Sheet Piles, Cold Regions Research and Engineering Laboratory,72 Lyme Road,Hanover,NH,03755, 08.2003
3. Army Corps of Engineers, Design of sheet pile walls. Engineer Manual 1110-2-2504. (2014). Washington: Department of the Department of the U.S.
4. DIN 16456-1 Plastic sheet piling - Extruded sheet piling of plasticizerfree polyvinylchloride (PVC-U) - Part 1: Product. (2017)
5. DIN 16456-2:2017-10 Plastic sheet piling - Extruded sheet piling of plasticizerfree polyvinylchloride (PVC-U) - Part 2: Dimensions. (2017)
6. DIN 16456-3 Plastic sheet piling - Extruded sheet pilings of plasticizerfree polyvinylchloride (PVC-U) - Part 3: Construction of sheet-pile buildings based on plastic sheet pilings. (2017)
7. EN 1997-1 Eurocode 7 - Geotechnical design - Part 1: General rules. (no date)
8. EN 1997-2: Eurocode 7 - Geotechnical design - Part 2: Ground investigation and testing. (no date)
9. Pietrucha, Guide SuperLock EN
10. Wang Z., et al., Vertical and Lateral Bearing Capacity of FRP Composite Sheet Piles in Soft Soil, Hindawi, Advances in Civil Engineering, Volume 2020, Article ID 8957893