Projekt
Dostaliśmy do zaprojektowania budynek o powierzchni użytkowej 21 000 m². Osiem kondygnacji naziemnych z przeznaczeniem pod biura, dwie podziemne pod parkingi. Budynek w rzucie przypomina dwa prostokąty połączone ze sobą pod kątem rozwartym. Garaż podziemny mieści się w rzucie w prostokącie 120×60 m.
Warunki gruntowe
Warunki gruntowe? Skomplikowane. Występuje dużo warstw o różnych parametrach. Nasz grunt składa się z mieszaniny kamieni, różnych piasków, glin oraz namułów i pyłów próchniczych. Do tego w każdym miejscu te różne warstwy mają różne grubości.
Co to powoduje? Powoduje to, że w niektórych miejscach, gdzie występują piaski i kamienie grunt jest stosunkowo sztywny, tzn., że pod obciążeniem prawie się nie rusza, a za to w miejscach, gdzie mamy grunty organiczne, czyli namuły i pyły próchnicze grunt pod obciążeniem ściska się jak gąbka. Czyli w jednym miejscu pod budynkiem grunt jest twardy i słabo osiada, a kilkanaście metrów dalej grunt jest miękki i osiada nam bardzo mocno.
Poniżej wrzucam jeden z charakterystycznych przekrój przez grunt. Widzimy na nim różne warstwy, a czerwoną kreską jest pokazany poziom posadowienia naszego budynku.
Warstwy oznaczone na żółto to różne warstwy piaskowe – stosunkowo sztywne. Warstwy oznaczone zgnito zielonym, to grunty organiczne – bardzo ściśliwe – ta nasza gąbka. Zróżnicowanie warstw niżej również wpływa na to co dzieje się z budynkiem i tam dalej mamy różne warstwy w tym zielone – gliny oraz niebieskie – iły. Każde z tych gruntów zachowuje się inaczej pod obciążeniem. To co się dzieje nad czerwoną kreską nie ma większego znaczenia, gdyż to jest grunt, który usuniemy z wykopu w trakcie robót ziemnych.
Problem
Łatwo można sobie wyobrazić co się dzieje z budynkiem postawionym na takim gruncie – osiada nierówno.
Nasza analiza obliczeniowa to jasno pokazała. Obliczone osiadania budynku wynosiły od 2 cm do ponad 9 cm, a do tego z uwagi na rozmieszczenie warstw budynek niebezpiecznie się przechylał.
Ponieważ norma do projektowania posadowienia – Eurokod 7 – podaje jako podstawowy limit osiadań 5 cm, rozwiązanie było proste i standardowe w takich przypadkach – pale fundamentowe.
Pale pozwalają na przeniesienie obciążeń spod fundamentu na głębsze warstwy gruntu, które są sztywniejsze, dzięki czemu niejako blokujesz osiadania palami, a dodatkowo manipulując długością pali możesz te osiadania wyrównać.
To rozwiązanie ma jednak jedną wadę, a mianowicie cenę.
W tym przypadku najniższa oferta jaką otrzymaliśmy na wykonanie takiego palowania wynosiła ponad 1,4 mln PLN.
W odniesieniu do całego budżetu budowy, to było ok 1,5%, tym niemniej inwestor po otrzymaniu naszej rekomendacji był delikatnie mówiąc nieszczęśliwy.
Szukanie alternatywy
Inwestor używając uroku biznesmena lat 90-tych, gdzie presja jest podstawowym narzędziem biznesowym, przekonał nas, żeby poszukać alternatywy.
Wróciłem do Eurokodu 7 i punkt po punkcie szukałem jakiegoś wytrychu. Na stronie 147 znalazłem zapis, który był przysłowiowym światełkiem w tunelu. Zapis ten w skrócie mówił, że można pozwolić budynkowi osiąść więcej niż 5 cm – pod warunkiem, że osiada on równo i instalacje podłączone do budynku nie ulegną uszkodzeniu.
Teraz wystarczyło zmusić budynek, żeby osiadł nam w miarę równomiernie, bo z instalacjami nie było problemu. Przyłącza miały być robione dopiero po wybudowaniu stanu surowego. A to oznaczało, że budynek zdąży już w dużej mierze osiąść i dalsze osiadanie po podłączeniu budynku do sieci nie będzie już problematyczne.
Ale w jaki sposób możemy zmusić budynek, żeby na mocno zmieniającym się gruncie osiadł w miarę równomiernie nie powodując nadmiernego przechyłu?
Wzięliśmy pod uwagę dwie kwestie:
- Zrobić część podziemną bardziej sztywną, żeby zniwelować różnice osiadań – budynek osiądzie bardziej równomiernie i nie będzie się „łamał” na słabszym fragmencie gruntu.
- Wyrównać warunki gruntowe – wymienić słabe miejsca na mocniejsze, żeby pod całym fundamentem było zbliżone.
Cel: uzyskać równomiernie osiadający budynek bez nadmiernego przechyłu.
Iteracje obliczeniowe
Nowe rozwiązanie wymagało wielokrotnej analizy, ponieważ osiadanie zależy od obciążenia i warunków gruntowych. Pod fundamentem mamy inny grunt i tak naprawdę inne obciążenie.
Za każdym razem, gdy zmienialiśmy grubość płyty fundamentowej, obciążenia z budynku przechodziły na grunt w inny sposób, dostawaliśmy inne osiadania niż na początku.
To samo działo się z podbudową z kruszywa – zwiększaliśmy sztywność gruntu, obciążenia z budynku przenosiły się w inny sposób na grunt, dostawaliśmy inne osiadania. Zmiany powodowały zmiany i koło nam się zamykało.
Po kilku takich iteracjach, przeliczeniach doszliśmy w końcu do rozwiązania, w którym budynek osiadał w miarę równomiernie i nie mieliśmy problemu z przechyłem.
Bilans
Teraz trzeba było policzyć koszty, tzn. ile te nasze zabiegi związane z gruntem i elementami konstrukcyjnymi będą nas kosztowały.
Z jednej strony dodaliśmy wymianę gruntu. Z analizy dokumentacji geotechnicznej oszacowaliśmy średni zakres wymiany na 60 cm na całej powierzchni fundamentu. Trzeba było uwzględnić głębszy o te 60 cm wykop oraz nawiezienie i zagęszczenie kruszywa – wykorzystaliśmy kruszywo dolomitowe. Oprócz robót ziemnych zwiększyliśmy sztywność części podziemnej budynku, co skutkowało większą ilością betonu i stali w elementach konstrukcyjnych. Łącznie dało nam to kwotę około 0,6 mln PLN.
Z drugiej strony zrezygnowaliśmy z pali za 1,4 mln PLN.
Wyszło nam, że posadowienie budynku uda się zrealizować o około 0,8 mln PLN taniej w stosunku do posadowienia pośredniego z wykorzystaniem pali fundamentowych.
Inwestor zaakceptował nasze rozwiązanie i projekt poszedł do realizacji.
Rzeczywistość budowy
Roboty ziemne trwały kilka tygodni. W trakcie kopania i wykonywania wymiany gruntu w wielu miejscach okazało się, że gruntów organicznych – najsłabszych warstw – było więcej niż wynikało to z dokumentacji geologicznej.
Trzeba było wymienić więcej gruntu niż zakładaliśmy. Miejscami grubość tej wymiany dochodziła do 2 m.
Zemściła się zmienność warunków gruntowych. Dokumentacja geologiczna nie wyłapała wszystkiego – odwierty były robione co 25-30 m (i tak gęsto), ale to co było między nimi okazało się gorsze niż założenia geologa.
Dodatkowe roboty ziemne wyszły około 0,3 mln PLN.
Finalna oszczędność: 0,5 mln PLN. Mniej niż zakładaliśmy, ale dalej spora kwota.
Podsumowanie
W tym przypadku warto było zrezygnować z pali i postawić na wymianę gruntu oraz modyfikację konstrukcji. Zamiast standardowego rozwiązania wybraliśmy kombinację dwóch prostszych zabiegów, które razem dały ten sam efekt.
Finalna oszczędność wyniosła 0,5 mln PLN. W skali całej inwestycji to 0,5% – brzmi skromnie. Ale mówimy o oszczędności wyłącznie na posadowieniu, na jednym elemencie konstrukcji. Na tym tle 0,5% robi już inne wrażenie.
Jest jednak rzecz, którą warto zabrać z tego przypadku niezależnie od liczb.
Grunt to nie jest materiał inżynierski. Nie produkujemy go w fabryce, nie certyfikujemy, nie zamawiamy z określonymi parametrami. To materiał naturalny – zmienny, nieprzewidywalny, miejscami zaskakujący nawet przy gęstej siatce odwiertów.
Dlatego przy każdej optymalizacji, która dotyka warunków gruntowych – zostawiaj bufor. Kalkulacja na papierze może wyjść raz lepiej, raz gorzej, ale Twoje założenia zostaną zweryfikowane dopiero w wykopie.