Splošno o sidrih

Geotehnična sidra so elementi, na osnovi katerih zagotavljamo določeno varnost in zvišujemo varnostni faktor za različne tipe geotehničnih konstrukcij. Sama po sebi se sidra ne uporabljajo brez dodatnih elementov, kot sta beton in/ali armatura. Zato lahko med njimi in kabli za prednapenjanje potegnemo paralelo. Logika pri obojih, tako pri sidrih (v geotehniki) kot pri  kablih (vrvi v prednapetih konstrukcijah), je enaka, in sicer je pri obojih  mišljeno, da prenesejo samo osne sile na način, da se z njimi ustvari natezno napetostno stanje glede na nivo omenjenega segmenta konstrukcije. Na nivoju celotne konstrukcije se vnesejo tlačne napetosti, odnosno pa se zagotavlja pozitivno stanje napetosti v konstrukciji. Sidra v geotehniki se uporabljajo v raznih situacija: z njimi zagotavljamo varnost gradbenih jam, predorskih izkopov tako v zemljini kot v kamnini, uporabljamo jih pri sanaciji plazov in brežin, pri sidranju premostitvenih objektov ter tudi na splošno pri vsaki situaciji, kjer pogoji stabilnosti ali izvedbe diktirajo uporabo sider.

Geotehnično sidro je jeklena palica, cev ali vrv, ki se vgrajuje v zemljino (ali v kamnino), nastala luknja pa se nato zapolni s podobnim cementom. Na enem kraju se nahaja mehanizem sidra ali sidrno telo. Cement je možno vbrizgati okoli telesa sidra ali skozi samo telo. Na drugem koncu je glava sidra, sestavljena iz matice in podložne ploščice. Glavo sidra je mogoče izvesti kot skrito oz. zabetonirano, ali kot vidljivo. Znani proizvajalci sider, ki svoje proizvode ponujajo na slovenskem trgu, so DYWIDAG, Frjssinet ter BBR. Tipična praksa večjih geotehničnih podjetij je, da za svoje potrebe kreirajo najpogosteje uporabljena sidra. Ko jih enkrat testirajo, da za njih dobijo licenco in patent, jih lahko uporabljajo pri vseh projektih.

Karakteristične vrednosti za sidra

Glede na svojo namembnost so sidra lahko trajna ali začasna, glede na način prenosa sile pa se delijo na aktivna in pasivna. Sidra se vgrajujejo na več načinov; poznamo klasično vgradnjo, pri kateri se vrtine vrtajo skupaj s cevmi, nato pa se vgradijo in injektirajo sidra, ki so lahko sidra z veznim delom (obdelanim po »jet grouting« postopku), ali pa IBO sira, ki so hkrati lahko vrtana, vgrajena in injektirana.  Sidra ločimo na osnovi več parametrov, od katerih so najpomembnejši dolžina veznega dela, maksimalna nosilnost in premer vrtine, v katero so vgrajena. Lomne sile pri sidri so pogosto v razponu 120–800 kN. Karakteristična dolžina vgrajenih sider je 4–12 m, v ekstremnih primerih pa so lahko še kakšen meter daljša. Za aktivacijo in nosilnost sidra je pomemben kot vgradnje; pri podpornih zidovih se ta giblje med 20 ˚ in 30 ˚ glede na horizontalno raven.

 

Logika sidranja

Zakaj konstrukcije sidramo, če poznamo konstrukcije, pri katerih stabilnost zagotavljamo brez dodatnih elementov?Eden od razlogov je, da na ta način pri enakih geoloških in geomehanskih lastnostih zemljine ali kamnine zmanjšamo količino betona in same gabarite konstrukcije. Torkretiranje betona se izvede v plasteh z debelino 20–40 cm, po postavitvi sider, pa imamo na koncu manjšo porabo osnovnega materiala, prav tako je potreben manjši poseg  v zemljišče, ki ga stabiliziramo.

Na drugi strani pri predorih torkret beton in sidra formirajo osnovo metode NATM (New Austrian Tunnelling Method), metode, ki poleg drugih, sorodnih metod, na ta način zagotavlja boljšo ekonomsko opravičenost in hitrejšo izvedbo projekta. Na koncu je primarna obloga, sestavljena iz torkret betona in sider, nosilna, hkrati pa je tudi vidna. Notranja obloga pa nima nosilne vloge in je pogosto celo nearmirana. Logika je v tem, da se aktivira nosilnost materiala, ki nam je na voljo, ne glede na to, ali imamo kot osnovni material zemljino ali kamnino, in da v tej sinergiji betonska obloga sidra pride do zahtevane stabilnosti oz. nosilnosti objekta. Potrebno je povedati, da se, odvisno od tipa sider, njihova mobilizacija zgodi preden se zgodijo pomiki hribine ali po realizaciji pomikov (pasivna sidra se mobilizirajo s trenjem po dolžini sidra).

 

 

Dodatno

Pri visokih objektih se vgradijo tudi: kontrolna sidra, ki služijo za ugotavljanje velikosti sidrne sile in za preizkušanje nosilnosti, merilna sidra, ki se uporabljajo za merjenje sile v sidru, ali preskusna sidra (preiskave, ki grejo do porušitve sidra).  Ker je projektiranje geotehničnih objektov specifično v tem, da imamo tu  »živ« projekt tudi v fazi izvedbe, nam merilna sidra povedo, kako se razvijajo deformacije in kako se te deformacije ujemajo z našimi modeli in izračuni. Iz teh deformacijah pridemo do časovnega razvoja sil v sidru, preverjamo lahko tudi rezultate, ki smo jih dobili v izračunih. Poleg tega se po formiranem rastru sider za katerikoli objekt, ki ga varujemo, rezervirajo tudi mesta za dodatna sidra. Ta dodatna mesta za sidra se potem izkoristijo v primeru, da so deformacije prevelike, ali če sile v sidrih presegajo dovoljene vrednosti. Obstaja tudi možnost, da po preseganju sile v sidru, glave sidra »eksplodirajo« oz. se odlomijo, kar pomeni, da potrebujemo rezervirana mesta za dodatna zamenjalna sidra. Če se odlomi glava sidra, se sama plošča sidra v prvem trenutku ukrivi in dobi konkavni izgled. Detajl, ki lahko vpliva na tak razvoj dogodkov, je neustrezno dreniranje, ki pri podpornih zidovih zagotavlja ustreznim projektiranjem drenažnih odvoda (barbakana), ki so v ravni sider po celotni površini zida. V predorih je ta sistem drugačen; tu je potrebno paziti, da sidra ne poškodujejo hidroizolacije.

 

 

 

Programi
Geotehnične konstrukcije in konstrukcije v gradbeništvu modeliramo v programih FEM (Finite Element Method). Obstajajo tudi možnosti modeliranja v programih LEM (Limit Equilibrium Method),  a ti se na naših področjih uporabljajo manj. Globalno najbolj poznan program za izračun geotehničnih konstrukcij je Plaxis. Plaxis ima možnosti 2D ali 3D modeliranja konstrukcij in sekvečne gradnje, ki močno vpliva na same rezultate. V Plaxisu je sidra mogoče modelirati na več načinov, npr. na način embeded beam rownode to node anchors idr., zato je potrebno imeti občutek o realnem obnašanju modela, specifikaciji sider in obnašanju različnih elementov/konstitutivnih modelov tal v programu. Polega Plaxisa je pomemben tudi program MIDAS, ki ponuja iste možnosti, vendar vsebuje malo starejši grafični vmesnik. Kot je to značilno za vse veje gradbeništva, je pri projektiranju in izračunu konstrukcij pomembno razumeti statični sistem kot celoto, hkrati pa tudi njegove dele ter kako ti posamezni deli vplivajo na celoten sistem. To je ogromnega pomena za geotehnične strukture, saj se večina naše prepričanosti nanaša na sidra, posledično samim tim na tla. To pomeni, da morajo biti faktorji varnosti  in obtežbe pravilno izračunani in upoštevani, saj za razliko od visokih gradenj nimamo takojšnje možnost razporeda plastičnih členkov in enostavnega vida disipacije energije. Poleg izračunov v FEM programih so potrebni še dodatni izračuni, izdelani ročno ali s pomočjo Excelovih algoritmov. Zato je ključno tudi razumevanje in interpretacija geoloških poročil.

 

Problemi

Na koncu je potrebno omeniti nekaj problemov, ki so značilna za sidra. Sidra so občutljiva na korozijo in brez zadostne zaščite izgubljajo na nosilnosti. Poleg korozije palic, ki so vgrajene v tla, korodirajo tudi glave sider, če niso ustrezno zaščitene. Drugi problem je, da če sila presega dovoljeno silo v sidru, so mogoče »eksplozivne« reakcije, kar predstavlja ogromen problem za varnost na gradbišču. Takrat ne pride samo do problema zmanjšane stabilnosti, ampak tudi do tega, da je izjemno nevarno hoditi v območje izpadanja sidrnih glav, čeprav je to nujno, če želim ponovno zagotoviti stabilnost.

 

Avtor: Stefan Kordić