Oba rodzaje obudowy charakteryzują się specjalnymi cechami z punktu widzenia schematu obliczeniowego. W przypadku budowli podziemnych, których obudowę wykonuje się na miejscu budowy, zastosowanie znajduje schemat statyczny. Dzieli on elementy obudowy na:
– sklepienie górne,
– ściany boczne,
– sklepienie dolne, które oblicza się wyłącznie w sytuacjach, kiedy warunki gruntowe nie są korzystne i nie można zapewnić stateczności ścian tunelu bez współpracy sklepienia spągowego.
Najczęściej jest tak, że powyższe elementy obudowy należy obliczyć po kolei, a rozpoczyna się to od sklepienia górnego.
Typy konstrukcji obudowy budowli podziemnych
Schematy obudowy tunelowej
Aby móc uwzględnić współpracę sklepienia ze ścianami obudowy, należy założyć kilka elementów takiej współpracy. Wybór każdego ze schematów zależy od:
– rodzaju górotworu i jego wytrzymałości,
– sposobu wykonania robót, czyli od położenia przerw roboczych w obudowie.
Najczęściej można spotkać poniższe schematy obudowy tunelowej:
– sklepienie oparte na przyczółkach (ścianach tunelu) sztywnych,
– sklepienie współpracujące ze ścianami opierającymi się o grunt o własnościach sprężystych,
– obudowy o kształcie podkowy, w którym sklepienie tworzy jednolitą całość ze ścianami, a cała konstrukcja współpracuje ze sprężystym gruntem.
W przypadku tuneli o kształcie kołowym dodatkowo oblicza się obudowę pierścieniową (programy do uprawnień budowlanych). Najbardziej popularnym schematem jest tu schemat obliczeniowy, który przyjął Hewett.
Obliczanie statyczne górnego sklepienia
Aby obliczyć statycznie górne sklepienie, możliwe jest zastosowanie metod wykreślnych bądź analitycznych. Najbardziej popularnymi wzorami są wzory Mórscha, Bressa czy Strassnera. W trakcie korzystania z nich należy założyć, że:
– podpory łuków czy sklepień są całkowicie sztywne,
– podpory łuków czy sklepień są nieruchome, tak że nie zostają one przesunięte pod wpływem rozporu sklepienia.
Jest to założenie, które obowiązuje bez względu na typ sklepienia (egzamin ustny na uprawnienia architektoniczne). Oznacza to tyle, że stosuje się je niezależnie od tego, czy są one trójprzegubowe, dwuprzegubowe czy też bezprzegubowe.
Często jest tak, że powyższymi metodami oblicza się budowle podziemne o dużej rozpiętości i o ciężkich, masywnych przyczółkach w takich przypadkach, gdy mając do czynienia z gruntem o małej wytrzymałości, ciężko jest określić zakres jego współpracy. Jest to także metoda odpowiednia w sytuacji, kiedy podczas wykonywania ścian tunelu nie można zapewnić ścisłego przylegania obudowy co gruntu i liczyć na jego dobrą współpracę z konstrukcją.
Metoda Kommerella
Kolejną z metod obliczania obudowy tunelowej, której górna część jest wykształcona w postaci sklepienia, jest metoda Kommerella. Kommerell jest autorem jednej z siedmiu metod obliczania nacisku na obudowę tunelu. Zgodnie z tą metodą w pierwszej kolejności należy obliczyć sklepienie. Wykorzystuje się do tego metody:
– analityczne (jak te powyżej),
– wykreślne, które coraz częściej wykorzystuje się podczas obliczania statycznego budowli podziemnych.
Ta metoda należy do wystarczająco dokładnych sposobów. Jednocześnie jest to najprostsza metoda. Zgodnie z założeniami Kommerella sklepienie, które opiera się na sztywnych ścianach tunelu, doprowadza do ich odkształcenia. W efekcie może dojść do wywołania odporu gruntu. Biedne siły oporu składają się z poziomego odporu gruntu. Działają one na tylną powierzchnię ściany.
Ta siła jest taka sama jak pozioma składowa rozporu sklepienia. Działa ona w kierunku przeciwnym do tego ostatniego. Na rysunkach działanie tej siły przedstawia się w formie zakreskowanego trójkąta w górnej części ściany. Jest to wypadkowa sił odporu gruntu. Jeżeli zna się wartość x, to możliwe jest obliczenie naprężenia (uprawnienia architektoniczne – egzamin). Z kolei jeżeli zna się wielkość pionowej składowej rozporu sklepienia Q, to w łatwy sposób można obliczyć wielkości ae oraz Of. Wielkości te nie powinny być większe od wielkości dopuszczalnych obciążeń pionowych gruntu pod fundamentami budowli inżynierskich.
W teorii Kommerella zakłada się, że wypadkowa pionowych naprężeń oraz siła pionowa Q przechodzi przez środek fundamentu ściany. Jest to oczywiście założenie przybliżone. Warto jednak pamiętać o tym, że obliczenie, które wykonuje się zgodnie z tą teorią, daje wyniki, które odpowiadają dokładności wymaganej dla takich konstrukcji.
