Épületszerkezeti mozgások, deformációk, hordozott belső eltérések kiváltó okai, hatásmechanizmusuk (Dr. Kiss Antal Ph.D értekezése alapján)

Átírás

1 2. témakör: Az építőipari méretpontosságot befolyásoló tényezők Épületszerkezeti mozgások, deformációk, hordozott belső eltérések kiváltó okai, hatásmechanizmusuk (Dr. Kiss Antal Ph.D értekezése alapján) TARTALOMJEGYZÉK 1 Bevezetés A földi viszonyítási rendszer változása, a szilárd földkéreg mozgásai A Föld paramétereinek változása A földi viszonyítás rendszer változása A szilárd földkéreg mozgásai, deformációja Épületek altalaja, altalajmozgások Talajok felépítése, alkotóelemei, statikus talajfizikai jellemzők Talajok terhelés alatt bekövetkező alakváltozása, süllyedése. Talajok dinamikus talajfizikai jellemzői Alapok süllyedésének lefolyása. Az altalaj teherbírása Az altalaj egyenletes és egyenlőtlen süllyedésének okai Az altalaj és az építmény kölcsönhatása, az építmény együttdolgozása az altalajjal Modellváltás Földművek és természetes lejtős talajfelszín állékonysága Szabad rézsűk és földfalak állékonysága Függőleges földfalak állékonysága Az időtényező szerepe rézsűk állékonyságában Az altalaj mozgásait, deformációit kiváltó különleges hatások Rezgések hatása a talajra Az alagútépítés és bányászati tevékenység okozta térszíni mozgások Az épületek, építmények tartószerkezetére ható járulékos erők és tanulmányozásuk esettanulmányok alapján

2 Építésirányítás, mozgásvizsgálatok 1 Bevezetés Építmények, műszaki létesítmények kivitelezése során a geometriai paraméterek (méret, alak, helyzet) tervszerinti értékeit előírt pontossággal kell biztosítani, továbbá gondoskodni kell arról, hogy a geometriai paraméterek a kivitelezés és az üzemeltetés időszakában a megengedettnél nagyobb mértékben ne változzanak, illetve meg kell oldani a kritikus geometriai paraméterek változásainak előrejelzését. E követelmények kielégítésének alapfeltételei: - A létesítmények tervezésénél kellően figyelembe kell venni a geometriai paraméterek pontossága biztosításának igényeit. - A tervezési és kivitelezési munka olyan minőségbiztosítási rendszer szerint történjen, mely a geometriai paraméterek pontossága technológiai biztosítása mellett gondoskodik a geometriai paraméterek változásainak ellenőrzéséről és előrejelzéséről is. Az MSZ KGST Építőipari mértani paraméterek pontossága általános előírásai című, és az MSZ ISO :1993 szabványok az építési méretváltozások forrásait a következők szerint csoportosítják: A gyártási, a kitűzési és építési munka során létrejött eltérések "létrehozott külső eltérések". A fentiekkel együtt az építési anyagok, szerkezetek belső és külső fizikai, kémiai, mechanikai okok miatt fellépő mozgásai, torzulásai is méretváltozást eredményezhetnek. Ezen méretváltozásokat "hordott belső eltéréseknek" nevezzük. 2 A földi viszonyítási rendszer változása, a szilárd földkéreg mozgásai 2.1 A Föld paramétereinek változása A geodéziai méréseknél a mindennapi gyakorlatban általában statikai szemlélettel élünk, mely szerint feltételezzük, hogy a Föld meghatározott paraméterei állandóak és a Föld fizikai felszínén elhelyezett, maradandó módon állandósított alappontok (viszonyítási pontok) helyzete illetve koordinátái idővel nem változnak. (Dr. Rédey István, 1950, 1961.) tanulmányaiban felhívja a figyelmet az új szemléletmód, a dinamikai szemlélet alkalmazására, mely a földi pontok helyzetének időbeli változásával is számol. A földfelszíni pontok helyzetének időbeli változását okozhatják a Föld belsejében és felszínén lejátszódó folyamatok, tömegátrendeződések, az égitestek hatásai, illetve hatásváltozásai, minek következtében a Föld korábban meghatározott paraméterei (a földi viszonyítási rendszer adatai) megváltoznak, és a földkéreg folyamatos mozgást végez. 2.2 A földi viszonyítás rendszer változása (Bíró Péter, 1983, 1986.) értekezéseiben ismerteti, hogy a Föld belsejében folyó nagy sebességű és mértékű anyag- és energiaáramlások következtében fellépő tömegátrendeződések gravitációs hatása megnyilvánul a szintfelületek helyzetének, alakjának időbeli változásában, a földfelszíni pontok nehézségi térerősségének és a helyi függőleges 2

3 irányának folyamatos változásában is. A szintfelületek függőleges értelmű δn eltolódása és a helyi függőleges irányának δθ szöggel való megváltozása együttesen hat. E két hatás eredőjeként a térben δr 0 mértékkel áthelyeződik (elmozdul) az eredeti koordinátáival jellemzett ponthely. Az erőtér- változás δh magasságváltozást is okoz. A magasságváltozás ismételt méréssel (szabatos szintezéssel + nehézségi méréssel) meghatározható. A mért magasságváltozás azonban a felszínnek az erőtér szintfelületeihez viszonyított relatív függőleges mozgását és nem a valódi alakváltozását mutatja." 2.3 A szilárd földkéreg mozgásai, deformációja A földkéreg vastagsága, mozgásterülete km. E szilárd kőzetekből, üledékekből álló réteg a belső erők mint a magma (endogén) erők és külső (exogén) erők, mint a Nap és Hold tömegvonzása (luniszoláris gravitációs hatások) következtében mozognak. A litoszféra merev lemezei konvekciós áramlások következtében egymással szemben mozdulnak el, a határzónákban gyűrődnek, repedeznek, vetődnek, így pontjaik egymáshoz képest megváltoztatják helyzetüket, éspedig mind vízszintes, mind magassági értelemben. További mozgásokat vált ki például az üledékek tömörödése, és az emberi beavatkozások következményei is (mint bányászat, vízépítési tevékenység, stb.) által okozott hatások. A földkéreg mozgása az érintett terület nagysága szerint lehet lokális, regionális és globális. Időben való lefolyása szerint lehet rövid és hosszú periódusú. A földkéreg mozgása lehet rugalmas és maradó. A következőkben szakirodalmi példák alapján tájékoztató adatokat ismertetek az egyes jellemző hatások következtében fellépő kéregmozgás értékekre. Mentes Gyula (1997.) alapján: Árapály deformáló hatása: A Hold és a Nap hatására fellépő gravitációstér- változások a földkéreg rugalmas tulajdonságai következtében 1/4 naptól végtelen periódusú deformációs változást okoznak. Az óceáni terhelés deformáló hatása: Az óceánok terhelése az árapály-jelenség hatására a földkérget deformálja. Partnál ±8 cm, a kontinensek belsejében ±3 cm deformációt okoz. Periódusidő: 1/2 nap és 1/2 év között változik. Egyéb földkérget deformáló hatások: - pólusmozgás, - atmoszféra, - talajvízszint-ingadozás, hóterhelés, - egyéb: - vulkanizmus, földrengés, - tektonikai lemezek mozgása, jégkorszak utáni kéregemelkedés (globális deformáció), - földalatti és külszíni bányászati tevékenység, földcsuszamlások, víztárolók felszíni terhelése (lokális deformáció). A jelenkori függőleges földkéregmozgások vizsgálatával és Magyarország kéregmozgási térképei készítésével Dr. Joó István (1996, 1998.) foglalkozik. (Dr. Joó István, 1996.) publikációja 2. ábrája szerint az 1.2. ábrán ismertetjük a magyarországi függőleges felszínmozgások térképének 1: méretarányú egyszerűsített változatát. A térképen az 3

4 Építésirányítás, mozgásvizsgálatok azonos sebességértékű vonalak (izokin-görbék) értékköze 1 mm/év. Az eredeti térkép tartalmaz még tektonikai információkat és földrengési adatokat is. 3 Épületek altalaja, altalajmozgások 3.1 Talajok felépítése, alkotóelemei, statikus talajfizikai jellemzők Talajok összetétele Kézdi Árpád szerint mérnöki, műszaki vonatkozásban talajnak nevezzük a földkéreg azon külső takarórétegét, melyre mérnöki létesítményeinket telepítjük, illetve amely anyagából földműveink készülnek. E legkülső földréteg szilárd kőzetekből, részben ezek mállási termékeiből, esetleg szerves maradványokból áll. A talaj kialakulásának megfelelően különböző összetételű rétegekből áll. A talajrétegződések kialakulása utáni földkéregmozgások hatására az összefüggő talajrétegek vetődések mentén eltolódnak,így az altalaj felépítése rendkívül változatos. Statikus talajfizikai jellemzők A talajok a szilárd részecskék, víz és a levegő diszperz rendszerét képezik. A talajok tulajdonságainak vizsgálatánál külön kell foglalkozni az egyes összetevők fizikai adataival, és külön az alkotóelemek között fellépő kölcsönhatásokkal, ezek hozzák létre a talaj szerkezetét. Szilárd alkotórész A szilárd alkotóelem változó nagyságú szemcsékből áll, melyeket vízzel és levegővel kitöltött pórusok hálózata vesz körül. E talajszemcsék nagysága és a különböző méretű szemcsék eloszlása a talajban nagy mértékben befolyásolja a talaj viselkedését a különböző hatásokkal szemben. így a szemcsés talajok osztályozása a talajszemcsék nagysága szerint 4

5 történik. Kötött talajok esetén az osztályozás ettől eltérően a plasztikus index alapján lehetséges. Talajban lévő víz és levegő A talaj szilárd részecskéi kapcsolatában a víznek döntő szerepe van, és e szerep a víz állapota szerint változó. A talajban lévő víz lehet: 1. Szabad talajvíz, amely alatt a nehézségi erő befolyása alatt álló vagy áramló vizet értjük, amelyben a víznyomás kevesebb, mint a felszínére gyakorolt nyomás. 2. Kapilláris víz, amelyet helyzetében a víz felületi feszültsége tart és amelyben a víznyomás kevesebb, mint a felszínére gyakorolt légnyomás. 3. Szerkezeti (kémiailag kötött) kristályvíz. Beitatott víz, amit a szilárd részecskék tartanak magukban. Minél nagyobb a talaj víztartalma, annál nagyobb lesz az összenyomhatósága, részben a szemcsék hézagait kitöltő víz kiszorítása, és az ezzel járó kinyomódás miatt, részben a nedvesebb konzisztencia-állapothoz tartozó alacsonyabb értékű kohézió miatt is. Talajok konzisztenciája: Valamely anyag konzisztenciáján az anyagi összefüggés mértékét értjük. A talajok konzisztencia-állapota a víztartalmuktól függ. A víztartalomnak a talaj konzisztenciaállapotára való hatása talajfajtánként eltérő. A talajok konzisztenciájának víztartalom függvényében való változása szemléltetésére a (Kézdi, 1969.) 66. ábrája szolgál. A víztartalom határozza meg a talaj szilárdságát, és ettől függ alakváltozása is. A fent említett ábrán szemléltetett jellegzetes konzisztencia-állapotok (folyós, gyúrható, kemény). A jellegzetes konzisztenciaállapotok, így a folyós, a gyúrható és a kemény állapot átmenete fokozatos, mégis a fenti állapotokat egymástól egy-egy határértékkel elválasztjuk, így kerül definiálásra a folyási határ, a sodrási vagy plasztikus határ és a zsugorodási határ, illetve a határállapotokhoz tartozó víztartalom. A folyási határ (w L ) az a víztartalom, melynél a talajban az összetartó erők teljesen megszűnnek, nincsen kohézió. A sodrási határ (w P ) az a víztartalom, mely mellett a talaj képlékeny állapotából merev állapotba megy át, elveszti plasztikussági, képlékenységi képességét. A zsugorodási határ (w S ) az a víztartalom, amelyen túl szárítva a talajt, a térfogatát már nem változtatja. 5

6 Építésirányítás, mozgásvizsgálatok 3.2 Talajok terhelés alatt bekövetkező alakváltozása, süllyedése. Talajok dinamikus talajfizikai jellemzői Alapozás szempontjából a talaj legfontosabb tulajdonsága a teherbírási határa, és a terhelés alatt bekövetkező alakváltozása, azaz összenyomhatósága és annak időbeli lefolyása. Rugalmas és szilárd testeknél ezt az utóbbi fizikai tulajdonságot a Hooke-törvény egyértelműen megadja. A Hooke-törvény szerint: σ ε = E vagyis az alakváltozás a feszültséggel egyenesen és a rugalmassági modulussal fordítottan arányos. A talajoknál ez a kérdés bonyolultabb. A Hooke-törvény csupán kis igénybevételeknél vehető alapul. így általánosan alkalmazható matematikai megoldás hiányában a tervezéshez ismerni kell a talajoknak két legfontosabb igénybevétellel, a nyomó és a nyíró igénybevétellel szembeni viselkedését, szilárdságát és a talajok összenyomhatóságát befolyásoló fizikai és kémiai tulajdonságokat. Nyomóigénybevétel és nyomószilárdság A talajok szilárd szemcsékből, vízből és levegőből álló diszperz rendszert alkotnak. A talaj alkotóelemei a mérnöki gyakorlatban előforduló igénybevétel mellett (néhány kp/cm 2 ) alig szenvednek alakváltozást, hisz az összetevők rugalmassági modulusai (levegő: -, víz: kp/cm 2, kvarc: kp/cm 2, agyagásványok: kp/cm 2 ). így a terhelés alatt álló földtömeg térfogata tehát nem alkotóelemei térfogatcsökkenése, összenyomódása miatt csökken, hanem az alábbiak miatt: 1. Talajszemcsék egymáson súrlódva az üres hézagokat kitöltik. 2. Az egyes szemcsék mint rugalmas testek alakváltozást szenvednek. 3. A hézagokban levő víz és levegő kiszorul. A talajok összenyomhatósága különböző fizikai és kémiai tulajdonságaiktól függ. A legfontosabbak ezek közül: - a hézagtérfogat, - a szemcsék rugalmas összenyomhatósága, - a talaj víztartalma, - ásványi és kőzettani összetétel és felépítés, - a talaj vízáteresztő képessége, - a kémiai tulajdonságok, - a rugalmassági modulus, - a Poisson-féle tényező. Nyíróigénybevétel és nyírószilárdság Valamilyen alaptesttel terhelt altalaj összenyomódás következtében nem mehet tönkre, hanem csak alakváltozást (besüllyedést) szenvedhet. Hiszen a talajszemcsék a rájuk nehezedő terhelés hatására csak a terhelés irányában nyomódhatnak össze, ha oldalkitérésre lehetőségük nincsen. 6

7 A talajok tönkremenetele alapozási terhelés következtében nyíróigénybevétellel, azaz a talaj nyírószilárdságát meghaladó nyírófeszültségek folytán következik be. A nyírófeszültségek valamely földtömeg egyes különálló részecskéit egymástól vagy az egész földtömeg egyik részét a másiktól el akarják távolítani, el akarják választani. Az egyes szemcsék elcsúszása következtében azok egymástól eltolódnak. A földtömeg egy része pedig egy tönkremeneteli vonal mentén válik és tolódik el a maradó másik résztől. A részecskéknek, illetve résztömegeknek ezt a kölcsönös eltávolodását ellensúlyozza a nyírószilárdság. A nyírószilárdság tulajdonképpen passzív feszültség, amely csak akkor fejlődik ki, illetve mozgósítódik, ha nyírófeszültség is van jelen. Az alapozás körébe tartozó feladatoknál tönkremeneteli vonalak, illetőleg felületek alakulnak ki (lásd a (Széchy, 1952.) 7. ábrája alapján készült 1.6. ábrát). Az alaptest alatt függőleges terhelésre a terhelt földtömegnek az alaptest két oldalára való kicsúszása és felpúposodása formájában (a), valamint pl. egy talajba bevert elégtelen befogású szádfal mögötti terhelés megnövekedése miatt annak kifordulása esetén (b). Ekkor egyrészt a szádfal mögötti terhelő földtömeg csúszik le megtámasztásának elvesztése következtében az aktív szakadólap mentén, másrészt a befogást biztosító megtámasztó földtömeg csúszik fel a szádfal előtt a passzív szakadólap mentén a nyírószilárdságát meghaladó passzív földnyomás következtében. A talaj nyírószilárdsága bonyolult fizikai-kémiai jelenségek eredménye. Hogy tanulmányozását egyszerűbbé tegyük, egy idealizált szemcsehalmazban súrlódásra és kohézióra bontjuk. A súrlódás és a kohézió fizikai okai Coulomb szerint a súrlódás oka, hogy az érintkező felületek sohasem tökéletesen simák. A nyomás és a súrlódás összefüggése lineáris. Finomszemcsés talajok kicsiny belső súrlódással, viszont jelentős kohézióval rendelkeznek. Kötött talajokban jelentkező kohézió oka részben a felületen abszorbeált filmek adhéziójában keresendő. Ugyancsak kohéziót idéz elő a kapilláris vonzóerő, amely a vízfilm felületi feszültsége következtében tartja össze a szemcséket. Konszolidáció A talajok összenyomódásának időbeli lefolyását konszolidációnak nevezzük. Az összenyomódás időbeli lefolyását a konszolidációs görbe írja le. Lásd (Kézdi, 1969.) 222. ábrája alapján készített 1.7. sz. ábrát. Az ábrán a folyamatos vonallal rajzolt elméleti görbe az elsődleges konszolidációs folyamatot írja le. A laboratóriuni kompressziós kísérlet során a szaggatott vonalú görbét kapjuk, mely már tartalmazza a másodlagos időhatást is. 7

8 Építésirányítás, mozgásvizsgálatok ahol A konszolidáció fokának jellemzésére a γ i % = 100* h t / h viszonyszám használható, h t : h: a "t" időpontig bekövetkezett süllyedés a teljes süllyedés A szaggatott görbe az ún. másodlagos időhatás, mely a szemszerkezet átrendeződésével, a szemcsék belső súrlódásával van kapcsolatban, és a szemcséket körülvevő abszorbeált vízfilmrétegek nagyobb viszkozitása miatti belső ellenállásban leli magyarázatát, mely a szemcséknek egymáson való elcsúszását gátolja. A konszolidációnak nagy szerepe van az építmények süllyedésének, alapok stabilitásának, földművek állékonyságának kérdésében. 3.3 Alapok süllyedésének lefolyása. Az altalaj teherbírása Az alaptest-süllyedés fázisai Az első az ún. azonnali vagy kezdeti süllyedés. Ez a rész térfogatváltozás nélkül jön létre, oka elsősorban a nyírófeszültségek hatása. Ezt a süllyedést valamely épület kivitele során gyakran észre sem vesszük, mert gyorsan következik be, s értéke a másik két részhez képest kicsiny. Jelentősége olyan alakváltozások vizsgálatában van, melyeket rövid ideig ható terhek okoznak, vagy pedig akkor, ha rövid időtartamú próbaterhelések eredményeit akarjuk feldolgozni és értékelni. Nyírási alakváltozások okozzák. Létrejöttük során víz nem nyomódik ki a talajból. Tehát telített talajban nem következik be. A második rész a konszolidációs vagy tömörödési süllyedés: ennek oka az, hogy a terhelés hatására a talajból a víz vagy a levegő kiszorul. A tömörödési süllyedés során tehát térfogatváltozás lép fel. Időben többé-kevésbé elhúzódva következik be, az időbeli lefolyást a talaj víz- és légáteresztő képessége határozza meg. Nagysága a kompressziós görbéből vagy más alakváltozási diagramból határozható meg. A harmadik rész az ún. másodlagos süllyedés, mely a másodlagos összenyomódás miatt következik be. A nyírófeszültségek plasztikus folyást idéznek elő a vázszerkezetben, a szemcsék lassan elcsúsznak egymáson. Ez a süllyedésrész csak bizonyos talajnemek: kövér agyag, tőzeg, egyéb szerves talajok esetén jelentős. A süllyedések időbeli lefolyása, a talajok roskadása Amint tudjuk a talajmechanikából, a teljes süllyedés bekövetkezéséhez szükséges idő nagyságát az un. konszolidációs folyamat szabja meg, melynek lényege az, hogy a talaj szilárd vázát alkotó szemcsehalmaz és a hézagokat kitöltő folyadék (pórusvíz) a nyomás hatására hogyan kerülnek olyan végső egyensúlyi helyzetbe, amikor ismét a szilárd váz hordja a terhelést és a hézagokat kitöltő víz gördülékenységénél fogva ismét feszültségmentes. Ez a 8

9 folyamat fokozatosan megy végbe, mert kezdetben a hézagokat kitöltő un. pórusvíz fogja éppen nagy összenyomhatatlanságánál fogva a terhelést teljes egészében felvenni, majd a nyomás hatására gördülékenysége folytán a terheletlen környezet felé kitér, és a terhelést a szilárd vázra hárítja át, a szilárd váz erre összenyomódik és alakváltozása miatt a nyomás egy része ismét a folyadékra hárul, amely a hézagokból erre még jobban kiszorul a terheletlen környezetbe és ismét visszaadja a terhelést a szilárd váznak és így tovább. Innen látható tehát, hogy a konszolidáció idejét a pórusvíznek a környezetbe való átszivárgási ideje szabja meg, vagyis végeredményben a talaj vízáteresztő-képessége. Miután pedig ez szemcsés talajoknál igen nagy, ott a konszolidáció azonnal bekövetkezik és mivel a kötött talajoknál igen kicsi, ott évekig is eltarthat. Még lassúbb lesz a konszolidációja a tőzeg és egyéb organikus talajoknak. Már régóta ismeretes, hogy lassú terhelésnél más lesz a konszolidáció, mint gyors terhelésnél. Nem közömbös az sem, ha az alaptest teljesen vízzáró (szigetelt), vagy pedig vízáteresztő. Kimutatásra került, hogy a vízáteresztő alaptest alatt lévő altalaj tizenhatszor olyan gyorsan konszolidál elméletileg, mint a nem vízáteresztő alap alatti talaj. A 2 t1 h1 konszolidációs idő a talaj rétegvastagságának négyzetével arányos, tehát = 2 t h Ha egy telítetlen, megterhelt talajt, mely még nem volt kitéve víz hatásának, vízzel árasztunk el, rendszerint hirtelen összenyomódás, roskadás következik be. Ezt az összenyomódást általában a talaj szerkezetének megváltozása kíséri. Különösen erősen mutatkozik ez a jelenség a löszben, továbbá szemcsés, kohézió nélküli talajokban. Mármost a süllyedések időbeli lefolyásának megfigyelése igen hasznos felvilágosításokat ad nemcsak statisztikai és adatgyűjtési szempontból, hanem az építmény alapozásának viselkedése és helyes megítélése, stabilitása szempontjából is. Az altalaj teherbírása Ha a talaj felszínén vagy a felszín alatt nyomólapot vagy egy alaptestet helyezünk el, s annak terhelését fokozatosan növeljük, akkor a terhelt felület alatt a talaj összenyomódik, függőleges, valamint oldalirányú elmozdulások következnek be. Mindaddig, amíg a terhelés viszonylag kicsiny, a terhelt felület süllyedésének mértéke a terhelések közel egyenesen arányos, a rugalmasság tartományában vagyunk. A terhelő felület alatt a talaj tömörödik, így nyírószilárdsága s ezzel együtt teherbírása nő. Ezt a fázist az összenyomódás fázisának nevezzük, ennek felső határánál kisebb terhelést adva át a talajnak, az összenyomódás és az alakváltozás sebessége időben csökken és zérus felé közeledik. Ebben a fázisban az alap süllyedése elsősorban a talaj függőleges összenyomódásának a következménye, az oldalirányú elmozdulások csak igen kicsiny mértékűek. A második fázisban a talajban már plasztikus alakváltozások lépnek fel. Először az alaptest két széle alatt kerül a talaj plasztikus állapotba, majd a plasztikus tartományok egyre jobban kiterjednek. Ezt a fázist egyre fokozódó süllyedések jellemzik, s ha a terhelés egy bizonyos küszöbértéket túllép, akkor folyamatos alakváltozás indul meg, az alakváltozás sebessége állandó terhelés mellett sem csökken, hanem állandó marad. Ekkor a talaj oldalirányú kitérése is jelentős, a talaj nyírószilárdsága a tömeg egyes részeiben már teljesen mobilizálva van. A harmadik fázisban az alakváltozások sebessége állandóan nő, az oldalkitérés mértéke egyre nagyobb lesz, végül talajtörés következik be, csúszólapok alakulnak ki, a terhelt felület elveszti alátámasztását

10 Építésirányítás, mozgásvizsgálatok "Megengedett feszültségen" ma az építő gyakorlat azt a talajfeszültséget érti, melynek alkalmazása mellett sem a talajban, sem az alapozásban, valamint a felszerkezetben nem következnek be olyan alakváltozások, melyek a kérdéses szerkezet rendeltetésszerű használatát akadályozzák, vagy a szerkezet biztonságát állékonyság szempontjából a megengedett mértéknél kisebbre csökkentik, vagy amelyek esztétikai szempontból nem kívánatosak. Az alakváltozást téve a döntő tényezővé, közvetlenül belátható, hogy a megengedett igénybevétel legalábbis a következő tényezőknek a függvénye: a. A talaj minősége, állapota, rétegződése és belső ellenállása. b. A terhelő felület nagysága. c. A terhelő felület alakja. d. Az alapozás mélysége. e. Az alaptest anyaga és merevsége. f. A felépítmény rendeltetése és szerkezete. g. Az építés üteme. 3.4 Az altalaj egyenletes és egyenlőtlen süllyedésének okai Süllyedések okai általában Süllyedések az altalajban az alábbi okok következtében jöhetnek létre: a. statikus terhelés következtében b. dinamikus terhelés és hatások következtében c. a talajban lévő víz mennyiségének következtében d. aláüregelés következtében e. talajcsúszás következtében f. a talajban fellépő kémiai átalakulások következtében g. fagyás-olvadás következtében a. A statikus terhelésből származó süllyedés kétféle lehet: - 0a talaj összenyomódásából és - a talaj oldalkitéréséből származó süllyedés, b. A dinamikus hatások között megkülönböztethetünk közvetlen dinamikus terhelés okozta süllyedéseket (gépalapok), valamilyen rázóhatás okozta süllyedéseket (ilyenek lehetnek: közlekedés, cölöpverés vagy mesterséges vibrálás okozta rázóhatások). c. A talajban lévő víz mennyisége kétféle értelemben okozhat süllyedést: - a talaj változó víztartalma, és - a talajvízszint ingadozása következtében. A talajvízszint változása (mind az emelkedése, mind a süllyedése) is talajmozgást (süllyedést, vagy néha - mint kötött talajok duzzadása miatt - emelkedést) okoz. d. A talajban mozgó víz kimosásokat, aláüregesedéseket okoz. Az építő tevékenység is okozhat aláüregesedéseket, pl. bányatavak, alagutak építése. 10

11 e. Csúszások következtében a csúszó rézsű fölött vagy szomszédságában lévő építmények fognak elcsúszni, illetve süllyedni. f. A talajban lévő kémiai átalakulások duzzadást és kiüregelést is okozhatnak. g. A fagy és olvadás is emelkedéseket és süllyedéseket okoz, mind a természetes folyamatok esetén, mind a talajfagyasztás esetén. Az egyenlőtlen süllyedés okai a. Az altalaj geológiai és fizikai egyenlőtlenségei. b. Az egyenlőtlen terhelés. c. Különböző alapozások. d. A nyomásoknak valamely hosszú építmény különálló alaptestei alatt nagyobb mélységben való aszimmetrikus egymásra halmozódása. e. Ha az építmény egyik része csúszó rétegre kerül vagy általában véve, ha túlterhelés lép fel, vagy az egyensúlyi viszonyok megbontásra kerülnek (pl. egy meglévő építmény mellett a közvetlen szomszédságában mély alapgödör kiemelése, vagy a talajvízszint lesüllyesztése történik). Ilyen esetben az építmény alatti talajréteg oldalt teljesen vagy akár csak részben elcsúszik. f. Süllyedéskülönbségeket okozhat a szomszédos építmények alatt keletkező feszültségek egymásrahatása is. A szomszédos építmények mind az altalaj összenyomódását, mind az oldalkitérését befolyásolják. Pl. ha egy építmény mellett egyik oldalt meglévő építményeket lebontunk, akkor megszüntetjük az oldalkitérést esetleg meggátló külső terhelést. A talajfelszín oldalt esetleg megemelkedhet, az építmény pedig ennek következtében ezen az oldalon megsüllyedhet. 3.5 Az altalaj és az építmény kölcsönhatása, az építmény együttdolgozása az altalajjal Acélbeton- és acélszerkezetekben a süllyedéskülönbségek hatására az erők átrendeződnek. Fából, téglából és kőből épült épületek gyakran nagy süllyedéskülönbséget is képesek elviselni anélkül, hogy a támaszerők lényegesen megváltoznának. Az épületek méreteit úgy kell statikailag, szilárdságilag meghatározni, hogy a mértékadó igénybevételeknek feleljen meg. A tervezett méretek azonban az építmény merevségén keresztül befolyásolják a talpfeszültség eloszlását és ezen keresztül önmagukat, ezért a tervezési feladat csak fokozatos közelítéssel valósítható meg. A talpfeszültség eloszlásának meghatározásánál fontos az alakváltozási feltétel bevezetése, vagyis az a követelmény, hogy a szerkezet talajjal érintkező felületének valamennyi hatás következtében előálló alakja és a talajfelszínnek a talpfeszültségek hatására előálló deformált alakja egymásba simuló legyen. (Dulácska, 1982.) szerint fontos lenne tudni: - az alap és "felszerkezet" milyen mértékben képesek együtt dolgozni, és ezért együttes merevségük hogyan értelmezhető, illetve hogyan számítható - az együttdolgozó szerkezeti elemekre hogyan osztandó szét a mértékadó igénybevétel? 11

12 Építésirányítás, mozgásvizsgálatok 3.6 Modellváltás Agyag vagy iszap, általában kötött talajok esetében a talaj konszolidációja 3-6 év közötti időszakban zajlik le. Az épület felszerkezetének lassú alakváltozása szintén több évre tehető. Ezzel szemben az építési idő a modern technológiáknál általában fél év, vagy annál rövidebb. Így a konszolidációs és lassú alakváltozási idő az építési időhöz képest olyan hosszú, hogy a süllyedéskülönbségekre, illetve szögforgásokra mértékadó állapot biztosan a végállapotban, a konszolidáció és a lassú alakváltozás lezajlása után következik be. Szemcsés talajok esetében a kötött talajokra mondottak ugyancsak fennállnak, azzal a különbséggel, hogy a felépítés után a talaj konszolidációjának nagy része lezajlik és az utólagos hatásokat már csak az épület szerkezetének lassú alakváltozása okozza. Miután a lassú alakváltozások még a nagy szilárdságú betonszerkezeteknél is az eredeti alakváltozásnak mintegy egy-kétszeresére tehetőek, biztosra vehető, hogy a süllyedéskülönbségekre, illetve a szögelfordulásokra vonatkozó mértékadó helyzet a lassú alakváltozások bekövetkezte utáni végállapot. Az igénybevételek maximumát viszont a felépítés után kell vizsgálnunk, mert ekkor az épület szerkezeteinek lassú alakváltozása még csak kisebb részben játszódott le, mint a talaj konszolidációja, és így az épület a talajhoz képest merevebb testként viselkedik, mint végállapotban. Ha pedig az épület merevebb, akkor a fellépő igénybevételek is nagyobbak. Ha ehhez hozzávesszük azt, hogy a friss épület szilárdsági tulajdonságai gyengébbek lehetnek, mint a már utószilárduláson átment betonszerkezetek szilárdsága, nyilvánvaló, hogy az igénybevételek szempontjából a felépítés utáni állapot lesz a mértékadó. Az építmények statikai modellje időben általában nem állandó. A legegyszerűbb építménynél is tapasztalhatjuk, hogy az alapozási munkák elkészülte után bizonyos mértékű süllyedési folyamatok megindulnak, melynek a teljes felszerkezet felépítése után folytatódnak és a hasznos terhelések felvitele után a teljes konszolidáció beállásáig tartanak. Az elkészült építmények mellé később gyakran új építményrészeket építünk, melyek újabb süllyedési hatásokat ébresztenek. Az építmény statikai modellje azonban nemcsak geometriai szempontból változik. Ugyanazon geometriai alakzat mellett az idő múlásával az építmény és az altalaj fizikai tulajdonságai is módosulnak. Az eddig felsoroltak arra figyelmeztetnek, hogy az altalaj és felszerkezet együttdolgozását általában nem lehet a végállapot szerint a felépült kész épület modellje szerint vizsgálni, mert egyes közbenső építési állapotok esetleg önmagukban problematikusak lehetnek, illetve kihatnak a végállapotra is. 4 Földművek és természetes lejtős talajfelszín állékonysága 4.1 Szabad rézsűk és földfalak állékonysága Valamely földművet feltöltést vagy bevágást építve, annak határoló felületei nem alakíthatók ki tetszőlegesen, hanem csak egy bizonyos, a földanyag belső ellenállásai által megszabott hajlásszöggel. A földművek e lejtős határfelületeit rézsűknek nevezzük; hajlásukat rendszerint vízszintessel bezárt szögük cotangensével jellemezzük; ρ=ctg β. ρ értékét olyan törtszám alakjában szokás felírni, melynek nevezőjében 4 van, pl. ρ=4/4, 6/4, 8/4 stb. 12

13 Rézsűk határolják utak, vasutak, vízfolyások, csatornák, stb. töltéseit és bevágásait, a legtöbb munkagödröt. Ha a rézsűt meredekebbre építjük, mint azt a talajban rendelkezésre álló belső súrlódás és kohézió megengedi vagyis a földtömeg belsejében fellépő feszültségek elérik a törést okozó értékeket -, vagy pedig az eredetileg állékony rézsűt alkotó talaj belső ellenállásai pl. átázás következtében csökkennek -, rézsűcsúszás, szakadás, suvadás fog bekövetkezni, a rézsű földtömegének egy része leválik, lefelé és kifelé elmozdul. Lásd (Kézdi, 1975.) 2. ábrája alapján készült 1.9. szemléltető ábrát. Ugyanilyen mozgások lépnek fel természetes lejtők, hegyoldalak esetében is. Állékonysági tényező: N c =c/hγ ahol c: kohézió γ: talaj térfogatsúlya h: csúszólap alsó és felső pontja közötti magasságkülönbség 4.2 Függőleges földfalak állékonysága Függőleges földfalak állékonyság szempontjából külön tárgyalást igényelnek, részben a különleges határeset miatt, részben pedig munkagödrök falának állékonyságánál játszott fontos szerepük miatt. (Kézdi, 1975.) 37. ábrája alapján készült ábra egy ilyen földfal metszetét mutatja. A földkiemelés során deformációk következnek be; a talaj felszíne a szakadozott vonalnak megfelelő helyzetet foglalja el. A felső térszín közelében a vonalkázott tartományban a talajban húzás lép fel, s végül húzási repedések keletkeznek. E repedések felléptét a talaj kiszáradásával járó zsugorodás csak még jobban elősegíti. A hőmérsékletváltozás és a csapadék ugyancsak hozzájárulnak a repedések növekedéséhez. A repedés következtében a belső ellenállások a felső szakaszon nem működnek, a csúszásnak ellenálló felület csökken, míg végül egy talpponti csúszólap mentén bekövetkezik a csúszás. 13

14 Építésirányítás, mozgásvizsgálatok Előfordulhat azonban alámetsző csúszólap is. Ha az altalaj puhább, mint a földfal, a h magasságú földtest súlyának hatására alaptörés következik be. Függőleges löszfalak nagy magasságig állékonyak, de csak akkor, ha nincs talajvíz és nem lép fel erózió. Löszben rézsűsen kiemelt bevágások, növényzet védelme nélkül gyorsan erodálódnak, mély eróziós csatornák, roskadások lépnek fel. Ezért az ilyen rézsűket csaknem függőleges határolásokkal célszerű kialakítani. Ez a megoldás nem akadályozza meg egyes kisebb földtömegek leszakadását, ezért a földfal lábánál padkát hagyunk. Mélyebb bevágásokat lépcsősen alakítunk ki. 4.3 Az időtényező szerepe rézsűk állékonyságában Ha rézsűk állékonyságát mindig csak azok pillanatnyi helyzetében vizsgáljuk, akkor számos földmozgás létrejöttét nem tudjuk megmagyarázni. Az állékonyságot meghatározó külső és belső erők az idő függvényei. Az egyensúly mindig a mozgást előidéző és az azt akadályozó erők kedvezőtlen kombinációja mellett bomlik meg. A biztonsági tényezőkre tulajdonképpen minden eső és hóolvadás is kihat. Természetes lejtők esetén e jelenségek gyakran ismétlődtek már a múltban, ha tehát itt mozgások kezdődnek, akkor vagy valamilyen rendkívüli jelenség lépett fel, vagy pedig a nyírószilárdság lassan, fokozatosan csökkent. Ez következik be pl. mozaikos agyagoknál. (Kézdi, 1975.) Skempton londoni agyagban való rézsűcsúszás vizsgálati eredményei alapján közli, hogy egy 5-6 m magas függőleges földfal e talajban csak néhány hétig állékony. Ennyi idő múltán, különösebb időjárási hatások bekövetkezte nélkül, létrejön a suvadás. A ρ=8/4 hajlású rézsű évig, a ρ=12/4 hajlású mintegy 50 évig állékony. A természetes lejtők hajlása ritkán több 10%-nál. A rézsűk állékonyságát sok tényező befolyásolja. (Kézdi, 1975.) a rézsűk állékonyságát befolyásoló hatásokat táblázatosan foglalja össze, e táblázat információit az alábbi táblázatban közöljük. Kézdi szerint egy rézsű stabilitása sohasem jelent tisztán statikus problémát. A különböző hatások - főleg az időtényező miatt dinamikus szemléletet kívánnak meg, és sohasem nélkülözhetjük a természetben tett megfigyeléseket s a korábbi tapasztalatokat. Arra is rávilágítanak az e fejezetben mondottak, hogy az állékonysági vizsgálatokat sohasem lehet egységesíteni, szabványosítani. Minden egyes esetben a rétegződést, a víz különböző hatásait, a kivitel módját és időtartamát, a mozgási lehetőségeket figyelembe kell venni. Rézsük állékonyságát befolyásoló tényezők (Kézdi, 1975 alapján) 14 I. Az atmoszferíliák fizikai hatásai A felszíni víz erodáló hatása A talajba beszivárgó csapadékvíz Felszín alatti vizek hatásai Nyugvó talajvíz Gravitációsan áramló víz Kapillárisan mozgó víz II. Egyéb természeti hatások 1. A víz hatásai Élővíz erodáló hatása Nyugvó víz Folyó víz Hullámzó víz b. Források hatása III. Mesterséges beavatkozások Víznyomás előidézése Hidrosztatikus nyomás Pórusvíznyomás Csővezetékből talajba jutó víz 2. Hőmérséklet hatása + víz 2. Kémiai hatások 2. Terhelések hatása

15 Kiszáradás, zsugorodás Fagyhatás Hévforrások 3. Légmozgás Szél okozta erózió Koptató hatás Báziscsere Egyéb kémiai hatások (kioldódás, kilúgozódás) kötőerő csökkenése 3. Tektonikai hatások Lassú kéregmozgások Földrengés 4. Biológiai hatások Állatok Növények Baktériumok Önsúly Külső terhelés 3. Dinamikus hatások Túltömörítés Szilárdítás 4. Egyéb hatások a. Túltömörítés b. Szilárdítás 5 Az altalaj mozgásait, deformációit kiváltó különleges hatások 5.1 Rezgések hatása a talajra Földrengések hatására létrejövő, vagy mesterségesen létrehozott vibrációk a szerkezetek stabilitását és állagát sokféle módon veszélyeztetik. (Kézdi, Á ) szerint a tapasztalat azt mutatja, hogy a rezgések lényegesen megváltoztatják a talajfizikai jellemzőket. 5.2 Az alagútépítés és bányászati tevékenység okozta térszíni mozgások Az alagútépítés és a bányászati tevékenység következtében feszültségátrendeződés, talajmozgások jönnek létre. A fedőrétegek elmozdulnak, a megváltozott térszín új alakja egy térbeli kiterjedésű süllyedési teknő (süllyedési horpa) lesz. Az alagútépítés és a bányászati tevékenység okozta térszíni mozgásokkal, és ezek következtében fellépő épületkárokkal többek között (Dr. Dulácska, E ) Épületvédelem az alagútépítés káros hatásai ellen, (Martos, F., 1967.) Bányakártan foglalkoznak. 6 Az épületek, építmények tartószerkezetére ható járulékos erők és tanulmányozásuk esettanulmányok alapján A tartószerkezetre különböző erők hatnak. Ilyenek a tartókra helyezett terhek (felraktározott anyag, járműteher, hóteher, egy másik tartóról átadódó teher) és járulékos terhek, járulékos hatások. A járulékos hatások között (Bölcskei-Juhász 1965.) a következőket sorolja fel: A járulékos hatások olyan nem teher jellegű fizikai hatások, amelyek a teherhordó szerkezetekben igénybevételeket ébresztenek. Ilyenek a hőmérsékletváltozás, a támaszpontok mozgása, a zsugorodás, lassú alakváltozás, a szerkezet kivitelezésének pontatlanságából származó hatások, mozgások, stb. A járulékos hatások közül a mértékadó igénybevételek 15

16 Építésirányítás, mozgásvizsgálatok meghatározása során csak azokat kell figyelembe venni, amelyeknek a vizsgált szerkezet teherbírása szempontjából számottevő befolyásuk van. Az előzőekben az építmények altalaj mozgásaival és mozgást kiváltó hatásaival részletesen foglalkoztunk. E fejezetben a járulékos hatások és a járulékos erőkkel foglalkoztunk építőipari konkrét példák és vizsgálati eredményeik alapján. A bevezetőben említett hordozott belső eltérések definíciója szerint az építési anyagok, szerkezetek belső és külső fizikai, kémiai, mechanikai okok miatt fellépő mozgásai, torzulásai is méretváltozást eredményezhetnek. A kitűzési, a geodéziai építésirányítási, az ellenőrző és vizsgálati mérési munkánál, a különböző hatásokra fellépő mozgások jelentősen befolyásolják a mérések eredményeit, mérési hibaként jelentkezve együtt tartalmazzák az építmény geometriai paramétereinek változását, és a mérést befolyásoló hatások eredményeit. Ezek különválasztására vizsgálatainkkal az alábbi módon csoportosítottunk: A. A kérdéses objektum (a mérés tárgya) helyzetét, méreteit és alakját befolyásoló tényezők. B. A mérést befolyásoló tényezők. Az épületszerkezet és a technológiaegységek teherhordó, feltámasztószerkezetek mozgásainak, torzulásainak kiváltó okai: - az altalaj mozgások, - a felmenő szerkezet önsúlya, - külső centrikus és excentrikus erőhatások, szerelési erők, - hőmérséklet napi és évi változása, üzemi hő és dinamikus hatások, - építési anyagok állapotváltozása (pl. zsugorodás). A továbbiakban a szerelési sorrendnek, a kritikus technológiai egységek beállítása esetén a szerelési hőmérsékletnek és a szerelési erőknek tulajdonítuk fontosságot. A Paksi Atomerőmű építése során a reaktortéri főhálózat és a reaktortéri kitűzési hálózat esetén, mivel ezek a vasbeton lemez-alapon, illetve az acélszerkezeten helyezkednek el, így e hálózatok a hőmérsékletváltozás függvényében szabályosan változtatják méretüket. Ezért az alappontok koordinátáit az idő koordináta mellett a hőmérsékleti koordinátával is ki kellett egészíteni. A meteorológiai hatások vizsgálatára azért volt szükség, hogy a részletméréseket megelőzően ismerjük a szerkezet viselkedését hő, illetve hősugárzás hatására. A vizsgálati időszakban nem voltak kiugró hőmérsékleti eltérések, ennek ellenére a meteorológiai hatások vizsgálata alapján határozhattuk meg a részletmérések végrehajtására legalkalmasabb időszakokat. A mellékletben +10 C-ra és borult időre jellemző adatokat közlünk. Az észlelt tapasztalataink alapján további felhasználásra még az alábbiakat közölhetjük: 1. A napsugárzás hatása feltűnően gyorsan - vizsgálataink szerint már közel egy órán belül - jelentkezik. 2. A gáztartály déli napsugárzás hatására északi irányba dől, és a pillérek sugárirányú ferdeségei - mint építési hibák - általában megegyeznek a napsütés hatására bekövetkező elmozdulások irányával. 3. A legfelső szinten a hő okozta maximális elmozdulásra 9 mm-t kaptunk 10 C hőmérséklet különbség és egész napos napsütés esetén. 4. Az átmérők változására eltérő értékeket kaptunk, az átlagos átmérő változás a hőtágulás következtében csak közel 1 mm-t tett ki. 16

17 Több létesítménynél, így a Budapest Váci utca 18. alatti üzletközpont építésénél tapasztalt alaplemez torzulások az építés közben felmerülő egyenlőtlen terhelések excentrikus erőhatásai következtében léptek fel. A felmenő szerkezet torzulásait a szerelési erők, a szerkezetszerelés nem tervezett sorrendje szerinti végrehajtása következtében fellépő centrikus és excentrikus erőhatások okozhatják. Irodalomjegyzék: 17