GI – prof. M.P. – Geotehnička sidra - dimenzioniranje (2013/2014) 1

TIPOVI SIDARA Osnovna podjela je načelno prema vrsti tetive na "štapna" sidra (single bar anchor, bar tendon) i "kabelska" sidra (multi-strand tendon, multiple bar anchor), ali ova podjela nije opće prihvaćena. Razlog je što se i na engleskim govornim područjima isti tipovi sidara različito nazivaju. Sidra se dijele i s obzirom na način "sidrenja" odnosno prenošenja sile na okolno tlo/stijenu na: mehanički pridržana, injektirana, lijepljena pomoću epoksi smola, frikcijska (trenjem učvršćeno) , itd. Ovisno o tome dali se tijekom ugradnje prednapinje ili ne, razlikujemo: aktivna (prednapregnuta) sidra; pasivna (nisu prednapregnuta) sidra – potreban je pomak da bi se prijenos sile "aktivirao" ŠTAPNA SIDRA Koriste se razni nazivi, a razlikuju se s obzirom na način ugradnje i način prijenosa sile, npr.: "Rockbolt" (engleski: "bolt" – vijak sa maticom) mehanički prednapregnuta sidra (Hoek) "Dowel" (engleski: klin) – injektirana pasivna sidra (Hoek) Istoveremeno Stillborg sa "rockbolt" označava sve tipove aktivnih i pasivnih štapnih sidara (sa mehaničkim usidrenjem, injektirana, frikcijska), dok kabelska sidra naziva "cabelbolt". Primjeri štapnih sidara:

Štapno sidro sa mehaničkim usidrenjem pomoću vijka– ("screw anchorage") - aktivno sidro

Štapna sidra s ekspanzijskom glavom koja onemogućuje pomake sidra je najčešći oblik mehanički usidrenih štapnih sidara. Ekspanzijska glava konusno se širi rotacijom sidra pri čemu dolazi do utiskivanja elementa glave u zidove bušotine. Sidrenje se ostvaruje na osnovi dva mehanizma: trenja ekspanzijske glave i zidova bušotine te uklještenja glave u neravnine zidova bušotine. Pri tome uklještenje predstavlja značajniju komponentu u ukupnoj nosivosti sidra. Koriste se uglavnom kao privremena ojačanja stijenske mase jer uslijed djelovanja korozije vremenom dolazi do smanjenja nosivosti. Za uvjete trajnih konstrukcija nužna je primjena naknadnog injektiranja bušotine. Prednost mehanički usidrenih sidara je mogućnost trenutnog preuzimanja opterećenja nakon ugradnje, kao i unošenja predopterećenja u stijensku masu.

GI – prof. M.P. – Geotehnička sidra - dimenzioniranje (2013/2014) 2

Štapno injektirano sidro – može biti aktivno i pasivno ("dowel" prema Hoek), ovisno o tome da li izvršeno pritezanje ili ne Injektirana štapna sidra ugrađuju se u bušotine ispunjene cementnom smjesom. Sidrenje, odnosno veza sa stijenskom masom, uspostavlja se cijelom injektiranom dužinom elementa ojačanja na osnovi kemijskih veza, trenja i uklještenja. Veći značaj pri tome imaju trenje i uklještenje, dok se kemijske veze s vremenom mogu u potpunosti razgraditi. Injektirana štapna sidra predstavljaju najčešće ojačanje stijenske mase u svijetu posljednjih pedeset godina, kako u građevinarstvu, tako i rudarskoj industriji. Materijal za štapna sidra najčešće je rebrasto obrađeni čelik, koji se koristi u građevinarstvu ili odgovarajuće obrađeni presjeci čelika posebno proizvedeni za geotehnička sidra. Za injektiranje se koriste suspenzije na bazi cementa ili umjetnih smola.

Frikcijsko (trenjem učvršćeno) Swellex sidro (pasivno sidro)

Samobušivo frikcijsko(trenjem učvršćeno) sidro (DSI)

GI – prof. M.P. – Geotehnička sidra - dimenzioniranje (2013/2014) 3

Pritezanje sidra

IBO – samobušeča štapna sidra za tla u kojima može doći do urušavanja izbušenog otvora Samobušiva sidra koriste se kao dio bušaćeg sustava na način da se umjesto bušaće šipke koriste elementi samobušivog sidra, koji na vrhu imaju odgovarajuću bušaću glavu. Elementi sidra proizvode se u sekcijama standardne dužine (2, 3 ili 4 m) i po potrebi nastavljaju odgovarajućim spojnicama. Bušenjem sidra odgovarajuće dužine završeno je i postavljanje sidra. Injektiranje sidra izvodi se kroz samo sidro, pri čemu injekcijska smjesa izlazi kroz otvore na bušaćoj glavi, sve dok injekcijska smjesa ne počne izlaziti na ušću bušotine. Prednosti samobušivih sidara su u mogućoj značajnijoj dužini izvedbe, kao i izbjegavanje mogućnosti zarušavanja bušotine uslijed izvlačenja bušaće šipke i ulaganja sidara u klasičnim postupcima izvedbe sidara, te upotreba u oštećenim stijenskim masama. Injektirana štapna sidra u većini slučajeva koriste se kao pasivna sidra, odnosno sidra u koja se u toku izvedbe ne unose dodatna opterećenja, koja se prenose na stijensku masu.

GI – prof. M.P. – Geotehnička sidra - dimenzioniranje (2013/2014) 4

Isti element s obzirom na način postavljanja i način prijenosa sile može imati različitu

funkciju, te time dobiva i različite nazive ("klasično sidro" – ima slobodnu i injektiranu sidrišnu dionicu, prenosi vlačnu silu, može se prenapregnuti; "čavlanje tla" – podrazumijeva

niz kratkih sidara koje se povezuju sa naglavnom konstrukcijom te time vrši armiranje površine tla/stijene, bez prednaprezanja; "pilot" - prijenosi tlačnu silu; "rock bolt" –

injektirano štapno sidro bez prednaprezanja)

Bušenje IBO sidara

GI – prof. M.P. – Geotehnička sidra - dimenzioniranje (2013/2014) 5

Popustljivo štapno sidro – podvrsta sidra kojim se omogućava pomak podgradnog elementa,

a sa svrhom smanjenja opterećenja na podgradu

Princip popustljivog sidra

podgrada

GI – prof. M.P. – Geotehnička sidra - dimenzioniranje (2013/2014) 6

SIDRA PLETENA OD ČELIČNIH NITI – "KABELSKA" SIDRA Po definiciji pleteno sidro predstavlja element ojačanja stijenske mase, uobičajeno izveden od čeličnih niti pletenih kao čelično uže i ugrađeno bez unesenog vlačnog opterećenja ili kao vlačno opterećeno i injektirano u kontaktu sa stijenskom masom. Prednost pletenih sidara je u mogućnosti uporabe velike duljine istih kao i kombinacije unošenja vlačnih naprezanja i prijenosa na podgrađenu stijensku masu.

Primjer presjeka kabelskog sidra

Dijelovi kabelskog sidra: glava sidara, klinovi za učvršćenje i kablovi (lijevo); ležajna spirala, zaštitna limena košuljica i cijevi za injektiranje (desno)

GI – prof. M.P. – Geotehnička sidra - dimenzioniranje (2013/2014) 7

Sidro od kablova nakon ugradnje svih dijelova sa zaštitnom kapom, čelične žice (lijevo),

karbonska vlakna (desno)

Način postavljanja žica kabelskog sidra u sidrišnoj dionici

2r

2r

2r

Ls

Ls

nepomična glavainjekciona smjesabrtvazaštitna košuljica

injekciona smjesa

injekciona smjesa

brtvazaštitna košuljica savijeni kablovi

brtvazaštitna košuljica lepezasto učvršćeni kablovi

GI – prof. M.P. – Geotehnička sidra - dimenzioniranje (2013/2014) 8

SIDRO - NAČIN PRIJENOSA SILE U TLO

Lom sidra može nastati na jedan ili više od slijedećih načina:

- lom po spoju injekcijskog (sidrišnog) tijela i tetive

- lom po spoju injekcijskog (sidrišnog) tijela i tla/stijene

- lom unutar mase tla/stijene

- lom čelične tetive ili njenih komponenti

- drobljenje injekcijskog tijela oko tetive

- lom naglavne konstrukcije sidra u grupi

Potrebno je kod dimenzioniranja sidra provjeriti svaki od navedenih uvjeta. Posebno je potrebno provjeriti i globalnu stabilnost cijele konstrukcije koja je pridržana sa sidrima.

Skica dijelova sidra injektiranog na jednom dijelu

Lom po spoju injekcijskog (sidrišnog) tijela i tetive

Otpor na spoju čelično tijelo tetive i injekcijskog tijela ima iskustvene vrijednosti oko 0.23 – 1.10 N/mm2 (za injekcijsko tijelo od cementa). Ovisi i o vrsti tetive (vrta čelika, način obrade površine,..).

Mogući načini prijenosa sile iz tetive na sidrišno tijelo. Prijenos sile preko ploče na kraju

sidra stvara u sidrištu tlačna naprezanja i sprječava stvaranje pukotina u tijelu sidrišta.

slobodna dionica, Lf

sidrišna dionica, L(sidrište)

s

S

glava sidra:

maticaležaj

zaštitna cijev čelično tijelo sidra(eng. tendon; TETIVA)

tijelo sidrišno, valjkasto

promjer sidrišta, 2r

postepeni prenos sile na sidreno tijelo trenjem

prijenos sile tlakom preko pločice na kraju

prijenos sile trenjemna rebrasti čelik

zaštitna košuljica

rebrasti čelik

GI – prof. M.P. – Geotehnička sidra - dimenzioniranje (2013/2014) 9

Lom po spoju injekcijskog (sidrišnog) tijela i tla/stijene Silu S, čelično tijelo sidra (tetiva) prenosi na sidrišno tijelo, a ono na tlo (lom po spoju

injekcijskog tijela i tla/stijene). Pri tome je nosivost na plaštu sidrišnog tijela:

sfc L)r2(S ∗π∗τ= gdje su: LS – dužina sidrišnog tijela r - polumjer presjeka sidrišnog tijela τ - prionjivost

Za koherentno tlo prionjivost se može odrediti kao: ϕ⋅σ+⋅α=τ tgc n

α - koeficijent prionjivosti (αc je adhezija)

σn – geostatičko naprezanje normalno (okomito) na površinu sidrišnog tijela

Prionjivost (τ) ovisi o vrsti tla u koje se sidro ugrađuje i o tlaku prilikom injektiranja.

Nosivost sidrišne dionice u ovisnosti o vrsti tla i pritisku injektiranja

Iskustvene vrijednosti prionjivosti:

vrsta tla/stijene ττττ (N/mm2) pri lomu

granit 0.93 - 1.72

vapnenac 0.63 - 1.19 (3.0)

pješčenjak 0.30 - 1.44 (4.0)

lapor 0.60

šljunkovito tlo 0.20 - 0.30

pjeskovito tlo 0.15 – 0.22

koherentno tlo 0.10 – 0.15

1 N/mm2 = 1000 kN/m2

00 1 2 3 4 5 6

50

100

150

200

250

300

350

400

pritisak injektiranja [MPa]

gran

ična

nos

ivos

t [kN

/m]

čvrstivapnenac

aluvijalna tla

meki kredni sedimenti

lapori

GI – prof. M.P. – Geotehnička sidra - dimenzioniranje (2013/2014) 10

GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR NO. 4 - Ground Anchors and Anchored Systems US department of transportation

GI – prof. M.P. – Geotehnička sidra - dimenzioniranje (2013/2014) 11

U prvom trenutku se čini da, što je sidrišna dionica duža, to je moguće u tlo predati veću silu. Međutim, pokusi su pokazali da dolazi do koncentracije posmičnih naprezanja na početku sidrišne dionice.

Raspodjela posmičnih naprezanja u ovisnosti o dužini sidrišta

Intenzitet koncentracije se smanjuje produžetkom sidrišne dionice, ali samo do neke mjere. To znači da se velikim duljinama sidrišne dionice ne može bitno povećati sila u sidru. Ako se sidrišna dionica poveća i poveća sila u sidru, doći će do prekoračenja čvrstoće na smicanja na početku sidrišne dionice, naprezanja će se «povući» dublje. Iz navedenog razloga sidrišne dionice obično nisu duže od 6-10 m.

Pomak dijagrama posmičnog naprezanja duž sidrišta u slučaju dosega čvrstoće na smicanje

na njenom početku

.

Mogući oblici raspodjele posmičnih naprezanja u sidrišnoj dionici

Ls1 Ls2 Ls3

Ls

S

ττ=f(L )s1

τ=f(L )s2

τ=f(L )s3

Ls

Ls

τ

0

τf

za (1-n) L

=0

∗τ

s

n L∗s

S = (n L )n s

Στ∗ ∗∆

S = Lmaks s

Στ∗∆

Ls

τposmična naprezanjakoncentrirana na početku sidrišta

učinak prenošenja silena kraj sidra preko sidrene ploče

sidrena ploča

tetiva sidra

prenos sile duž tetive, raznih koncentracija naprezanja

GI – prof. M.P. – Geotehnička sidra - dimenzioniranje (2013/2014) 12

Prema HRN EN 1998-5:2012 sidrišnu dionicu je potrebno povećati ako se sidra koriste i za preuzimanje dinamičkog opterećenja (potres):

�� = ���1 + 1.5��

Lom unutar mase tla/stijene

Lom unutar mase tla/stijene može nastati samo kod kratkih sidara. Nosivost s obzirom na ovaj oblik loma se analizira na isti način kao i vlačni temelj.

Formiranje zone loma (lom unutar mase tla/stijene) kod kratkog sidra

GI – prof. M.P. – Geotehnička sidra - dimenzioniranje (2013/2014) 13

Lom čelične tetive ili njenih komponenti

Nosivost tijela (tetive) sidra ovisi o vrsti materijala (čelika, stakloplastike) od kojeg se tetiva izrađuje. Podatak se najčešće može dobiti od proizvođača ili se izračunava na osnovi svojstava materijala (dimenzioniranje čelične konstrukcije EC3)

Za proračun se koristi granica popuštanja ("yield load") – ova vrijednost se prema EN 1537:1999 naziva "karakteristična otpornost tetive".

Primjer podataka iz kataloga za štapno sidro

GI – prof. M.P. – Geotehnička sidra - dimenzioniranje (2013/2014) 14

Za dimenzioniranje sidra mjerodavna je najmanja vrijednost od :

- granična sila ( nosivost) na spoju injekcijskog (sidrišnog) tijela i tetive (St)

- granična sila na spoju injekcijskog (sidrišnog) tijela i tla/stijene (Sfc)

- granična sila čelične tetive ili njenih komponenti (SN)

- granična sila unutar mase tla/stijene (Su)

Granična nosivost (karakteristična otpornost) je najmanja vrijednosti od prethodno definiranih.

Iz granične nosivosti treba izračunati radnu silu (Sr) – "projektna otpornost (nosivost)". Radna sila se izračunava iz granične uporabom faktora sigurnosti. Veličina faktora sigurnosti ovisi o vrsti sidara (trajno ili privremeno, prednapregnuto ili ne), te ovisi o pristupu (globalni faktor sigurnosti ili parcijalni faktori sigurnosti s obzirom na komponente nosivosti). Radna sila u sidru se koristi u proračunu/dimenzioniranju konstrukcije koja je pridržana sa tim sidrom.

Prema EN 1537: 1999 ("Execution of special geotechnical work – ground ancors) potrebno je provjeriti granična stanja:

- vlačni lom sidra

- strukturni lom sidra kao posljedica posmičnih sila, loma glave sidra ili utjecaja korozije

- gubitak sile u sidru zbog značajnog razvlačenja uzrokovanog popuštanjem glave sidra ili zbog puzanja i relaksacije

- lom ili značajne deformacije dijelova konstrukcije uzrokovanih primijenjenom silom iz sidra

U EN 1537:1999 koriste se pojmovi (u osnovi je pojam "nosivost" zamijenjen pojmom "otpornost"):

- otpornost na čupanje tetive (unutarnja otpornost sidra – "internal anchor pull-out resistance")

- otpornost na čupanje sidrišnog tijela (vanjska otpornost sidra – "external anchor pull-out resistance")

- karakteristična otpornost - Rk ("characteristic resistance") – (granična nosivost)

- projektna/proračunska otpornost – Rd ("design resistance")

GI – prof. M.P. – Geotehnička sidra - dimenzioniranje (2013/2014) 15

U projektu je potrebno odrediti:

- veličinu unutarnjeg otpora sidra na čupanje

- veličinu vanjskog otpora sidra na čupanje

- provjeriti trajnost sidra

- odrediti potrebnu dužinu slobodne dionice sidra

- odrediti silu prednaprezanja ("anchor lock-off load" – sila koja je prenesena na glavu sidra neposredno nakon završetka postupka prednaprezanja)

Projektna otpornost se određuje iz (u biti ovo je radna sila):

R

kd

RR

γ=

gdje je prema EN 1537:1999 γR ≥ 1.35 za vlačno opterećena sidra, a za Rk se koristi manja karakteristična vrijednost od unutarnje ili vanjske otpornosti na čupanje. Ova veličina je trenutno u koliziji sa EN 1997-1, gdje se navodi da je γR = 1.1. Ovo je posljedica zahtijeva da se SVAKO ugrađeno sidro ispita opterećenjem do projektne nosivosti (radne sile).

Karakteristična otpornost sidra na čupanje se može odrediti ispitivanjem probnih sidara ili proračunom.

Kod ispitivanja probnih sidara ("investigation test") sidra se opterećuju do loma (čupanja), a dobivena maksimalna sila je karakteristična vrijednost.

Ako se karakteristična otpornost sidra na čupanje određuje proračunom potrebno je odrediti vanjsku i unutarnju otpornost. Karakteristična unutarnja otpornost (nosivost tetive) određuje se pravilima za dimenzioniranje čelične konstrukcije (EC 3), najčešće u obliku:

1.15popuštanjagranica

R i,k =

Karakteristična vanjska otpornost (trenje po plaštu sidrišnog tijela) se određuje iz npr. izraza:

sa,k L)r2(R ∗π∗τ=

Koristi se manja od vrijednosti od Rk,i i Rk,a, ali je preporuka da bude:

i,ka,k RR ≥

Ako se nosivost određuje proračunom potrebno je dobivene vrijednosti potvrditi ispitivanjem ugrađenih sidara ("suitability test" – test prikladnosti).

I pored prethodno navedenih ispitivanja, svako ugrađeno sidro potrebno je ispitati opterećivanjem do projektne (radne) sile ("acceptance test" – test prihvatljivosti).

GI – prof. M.P. – Geotehnička sidra - dimenzioniranje (2013/2014) 16

PREDNAPREZANJE

U građevinama, u kojima je sidro temeljni dio podupore, za učinkovitost sidra bitno je PREDNAPREZANJE. Prilikom naknadnih pomaka u usidrenom tlu, u sidru nastaje SAMONAPREZANJE, povećanje sile uslijed novonastalog pomaka u tlu (koristi se kod pasivnih sidara). Prema EN 1537preporuča se da sila prednaprezanja bude do 65% karakteristične nosivosti tetive sidra.

Kad bi se tlo ispod glave sidra s vremenom moglo pomaknuti baš za vrijednost ∆le (izduženje tetive sidra pri prednaprezanju), u smjeru prednaprezanja, sila prednaprezanja bi pala na nulu. Prema tome, proizlazi zaključak da treba težiti za time da omjer ∆le /∆l t (izduženje tetive/pomak tla ispod glave sidra), bude što veći. Kako je pomak tla ispod glave sidra funkcija svojstava tla pa se na to teško može utjecati, preostaje da se djeluje na vrijednost, ∆le.

Ako je tetiva (užad ili štap) glavni dio sidra unutar kojeg se ostvaruje izduženje ∆le, prema Hooke-ovu zakonu može se pisati:

FE

LSl f

pe ∗∗=∆

To znači da će izduženje, ∆le, pri nekoj sili, Sp, biti to veće, što je dulja slobodna dionica, Lf, manja površina presjeka tetive, F, i manji modul elastičnosti, E. Prema EN 1997-1, preporučena najmanja duljina slobodne dionice prednapregnutog sidra treba biti 5 m.

Sila prednaprezanja u sidro se može unijeti nakon što sidrišno tijelo očvrsne.

GI – prof. M.P. – Geotehnička sidra - dimenzioniranje (2013/2014) 17

ISPITIVANJE SIDRA

Računski je nemoguće precizno odrediti čvrstoću na smicanje između tla/stijene i sidrišnog tijela, jer ona ovisi o parametrima koji nisu jednoznačni. Isto tako nije moguće precizno odrediti veličinu sidrišnog tijela koja će se stvarno izvesti u tlu/stijeni (ovisi o pritisku korištenom kod injektiranja i o zbijenosti/krutosti okolnog tla/stijene).

Iz tih se razloga uvijek zahtijeva ISPITIVANJE SIDARA. Rezultati ispitivanja daju najpouzdaniji podatak, a s kojim je potrebno izvršiti provjeru proračuna sidara u sidrenoj građevini.

Prema EN 1537 provode se tri tipa ispitivanja:

� ispitivanje probnih sidara ("investigation test") – mjeri se karakteristična otpornost sa kojom će se dimenzionirati sidra – opterećenje do čupanja

� test prikladnosti ("suitability test") – provjerava se dali sidro ima proračunom predviđenu karakterističnu otpornost – opterećenje do čupanja

� test prihvatljivosti ("acceptance test") – ispituje se svako ugrađeno sidro opterećivanjem do vrijednosti predviđene projektne otpornosti

Tijesak (presa) za ispitivanje sidra

Prema EN 1997-1 potrebno je ispitati najmanje 2% svih ugrađenih sidra (za trajna sidra), ili najmanje 1 sidro za svaki skup različitih uvjet u tlu/stijeni, a da bi se utvrdila karakteristična otpornost sidra na čupanje (granična nosivost).

Prema "Suggested methods for rocbolt testing" (ISRM) potrebno je ispitati 5 sidara da bi se utvrdila granična nosivost štapnih sidara u određenoj stijenskoj formaciji.

GI – prof. M.P. – Geotehnička sidra - dimenzioniranje (2013/2014) 18

Ispitivanje sidra

Prikaz primjera rezultata ispitivanja kratkog štapnog sidra; za primijenjenu silu u presi mjeri

se pomak glave sidra (load – sila u presi; bolt head displacement- pomak glave sidra)

GI – prof. M.P. – Geotehnička sidra - dimenzioniranje (2013/2014) 19

Prikaz primjera rezultata ispitivanja kabelskih sidara

Izmjereni pomak glave sidra se sastoji od izduženja tetive u dijelu slobodne dionice i pomaka sidrišnog tijela.

Prema EN 1537:1999 oprema za ispitivanje treba imati točnost mjerenja pomaka od 0.05 mm ako se analizira utjecaj puzanja, odnosno 0.5 mm ako se puzanje ne ispituje. Oprema za mjerenje sile treba imati točnost izmjerene sile veću od 2% najveće sile primijenjene tijekom testiranja.