background image

 

1

Fundamentowanie – ćwiczenia 

Część 4 – Obliczanie statyczne fundamentów palowych – określanie sił w palach 

(dr inż. Adam Krasiński, mgr inż. Tomasz Kusio

Metoda sztywnego oczepu 

W metodzie tej wprowadza się takie uproszczenia w schemacie obliczeniowym fundamentu 
palowego, aby możliwe było jego rozwiązanie sposobem tzw. „ręcznym” (bez wykorzystywania 
komputera). 
Uproszczenia polegają na przyjęciu oczepu jako sztywnego bloku, natomiast pali jako prętów 
obustronnie przegubowych (tzw. wahaczy). W wyniku obliczeń możemy otrzymać tylko siły 
osiowe w palach (nie otrzymamy ani momentów zginających ani przemieszczeń). Momenty 
w oczepie możemy w tej metodzie otrzymać metodą wtórną, w której siły w palach zamieniamy na 
obciążenie, a słupy i ściany budowli stają się wówczas podporami (metoda odwróconego stropu). 

Układy statyczne fundamentów palowych: 

a) Układy dwuwymiarowe z palami tylko pionowymi (np. ława fundamentowa na palach) 

Układy takie stosuje się przy obciążeniach tylko od sił pionowych i momentów, przy braku 
obciążeń poziomych (zwykle obciążenia poziome można pominąć gdy ich suma jest mniejsza niż 
10% sumy obciążeń pionowych, ale nie pomija się wówczas momentów od sił poziomych). 

j

i

j

x

x

M

n

V

N

+

=

2

0

,  n – liczba pali 

 

N

j

 dodatnie – pale wciskane,  N

j

  - ujemne – pale wyciągane 

V

1

 

V

2

 

M

1

 

N

1

 

N

2

 

N

3

 

N

4

 

x

2

 

x

1

 

x

3

 

x

4

 

x(-) x(+) 

ΣV 

ΣM

0

0

Uwagi: 

1) punkt „0” – środek geome- 
    tryczny grupy pali 

2) wszystkie pale jednakowe 

Schemat 

background image

 

2

Zadanie przykładowe 4.1 
Stosując metodę sztywnego oczepu policzyć siły w palach w fundamencie przedstawionym na 
rysunku poniżej. Pominąć ciężar własny oczepu palowego. 
 

Wyznaczenie położenia środka geometrycznego układu pali: 
S

A

 = 1

⋅0,0 + 1⋅2,0 + 1⋅5,0 + 1⋅7,0 + 1⋅9,0 = 23,0 m 

x

0

 = S

A

/n = 23,0/5 = 4,6 m 

Obciążenia sprowadzone do punktu „0”: 
ΣV = 1500 + 1000 + 300⋅5,0 = 4000 kN 
ΣM

0

 = -1500

⋅(4,6 – 1,0) + 1000⋅(5,0 – 4,6) + 300⋅5,0⋅(5,0 + 2,5 – 4,6) = – 650 kNm 

Moment bezwładności układu pali względem punktu „0”: 
Σx

i

2

 = 4,6

2

 + (4,6-2)

2

 + (5,0 – 4,6)

2

 + (7,0 – 4,6)

2

 + (9,0 – 4,6)

2

 = 53,2 m

2

 

Siły w poszczególnych palach: 

856

)

6

,

4

(

2

,

53

650

5

4000

1

=

+

=

N

kN 

832

)

0

,

2

6

,

4

(

2

,

53

650

5

4000

2

=

+

+

=

N

kN 

795

)

6

,

4

0

,

5

(

2

,

53

650

5

4000

3

=

+

=

N

kN 

771

)

6

,

4

0

,

7

(

2

,

53

650

5

4000

4

=

+

=

N

kN 

746

)

6

,

4

0

,

9

(

2

,

53

650

5

4000

5

=

+

=

N

kN 

 
 

P

1

=1500 kN 

q=300 kN/m

3.0 

1.0 2.0 

2.0 

1.0

2.0 

P

2

=1000 kN 

1.0 1.0 

x

0

 

(1) (2) 

(3) (4) (5)

background image

 

3

b) Układy trójwymiarowe z palami tylko pionowymi (np. stopa, płyta lub blok na palach) 

Układy takie, podobnie jak wyżej, stosujemy przy obciążeniach tylko od sił pionowych 
i momentów, przy braku lub pominięciu obciążeń poziomych. 

     

 

 

 

j

i

y

j

i

x

j

x

x

M

y

y

M

n

V

N

+

=

2

0

2

0

n – liczba pali

 

 

Zadanie przykładowe 4.2 

Stosując metodę sztywnego oczepu policzyć siły w najbardziej obciążonym i w najmniej 
obciążonym palu pod stopą fundamentową  słupa budynku przemysłowego. Do obciążeń ze słupa 
doliczyć ciężar własny stopy fundamentowej. 

 

 
Obciążenia sprowadzone do punktu „0”: 

Ciężar fundamentu: G

F

 = 5,0

⋅3,0⋅0,8⋅25,0 = 300 kN 

ΣV = 3500 + 300 = 3800 kN 
ΣM

x0

 = 800 kNm 

ΣM

y0

 = 2500 – 3500

⋅0,3 = 1450 kNm 

Momenty bezwładności układu pali względem osi x

0

 i y

0

Σx

i

2

 = 4

⋅2,0

2

 = 16 m

2

 ;    

Σy

i

2

 = 6

⋅1,0

2

 = 6 m

2

 

Siła w najbardziej obciążonym palu – nr 6: 

=

+

=

)

0

,

2

(

0

,

16

1450

)

0

,

1

(

0

,

6

800

6

3800

6

N

948,0 kN 

Siła w najmniej obciążonym palu – nr 1: 

=

+

=

)

0

,

2

(

0

,

16

1450

0

,

1

0

,

6

800

6

3800

1

N

319,0 kN 

x

i

 

y

i

 

Σ

0

ΣM

y0

 

ΣM

x0

 

y

0

 

x

0

 

Uwagi:

1) punkt „0” – środek geome- 
    tryczny grupy pali 

2) wszystkie pale jednakowe 

3) znaki x i y według ćwiartek 
    układu współrzędnych 

4) znaki M

x0

 i M

y0

 – dodatnie 

    gdy zgodne z osiami x i y 

e

s

 = 0,3 m 

2,0 2,0 

0,5 0,5 

0,8 

V

s

 = 3500 kN 

M

sy

 = 2500 kNm 

M

sx

 = 800 kNm 

M

sy

 

V

s

 

2,0 

0,5 

0,5 

Przekrój pionowy  

Plan 

(1) 

(2) 

(3) 

(4) 

(5) 

(6) 

5,0 

background image

 

4

Zadanie przykładowe 4.3 

Stosując metodę sztywnego oczepu policzyć siły w najbardziej obciążonym i w najmniej 
obciążonym palu pod fundamentem dwóch słupów budynku szkieletowego. Do obciążeń ze słupów 
doliczyć ciężar własny stopy fundamentowej. 

 

 
Wyznaczenie położenia środka geometrycznego układu pali: 
S

yA

 = 3

⋅2,0 + 2⋅4,0 + 2⋅6,0 + 2⋅8,0 = 42,0 m 

x

0

 = 42,0/12 = 3,5 m 

Obciążenia sprowadzone do punktu „0”: 
Ciężar fundamentu: G

F1

 = 4,0

⋅6,0⋅1,0⋅25,0 = 600 kN,  G

F2

 = 6,0

⋅4,0⋅1,0⋅25,0 = 600 kN 

ΣV = 8000 + 5000 + 600 + 600 = 14200 kN 
ΣM

x0

 = –6000 kNm 

ΣM

y0

 = –8000

⋅2,5 + 5000⋅3,5 + 10000 – 600⋅3,5 + 600⋅3,5 = 7500 kNm 

Momenty bezwładności układu pali względem osi x

0

 i y

0

Σx

i

2

 = 3

⋅3,5

2

 + 3

⋅1,5

2

 + 2

⋅0,5

2

 + 2

⋅2,5

2

 + 2

⋅4,5

2

 = 97 m

2

  

Σy

i

2

 = 2

⋅(2,2

2

 + 3

⋅1

2

) = 22 m

2

 

Siły w wybranych palach: 

1458

)

5

,

3

(

0

,

97

7500

0

,

2

22

6000

12

14200

1

=

+

=

N

kN 

1613

)

5

,

1

(

0

,

97

7500

0

,

2

22

6000

12

14200

2

=

+

=

N

kN 

1618

5

,

4

0

,

97

3500

0

,

1

22

6000

12

14200

9

=

+

=

N

kN N

max

 

512

)

5

,

3

(

0

,

97

3500

)

0

,

2

(

22

6000

12

14200

5

=

+

=

N

kN N

min

 

584

)

5

,

1

(

0

,

97

3500

)

0

,

2

(

22

6000

12

14200

6

=

+

=

N

kN 

1073

5

,

4

0

,

97

3500

)

0

,

1

(

22

6000

12

14200

12

=

+

=

N

kN 

Plan 

M

1

 

M

2

V

1

 

V

2

2.0 

2.0 2.0 2.0 

2.0 

2.0 

2.0 

1.0 

1.0 

1.0 

1.0 

1.0 

1.0 

1.0 

1.0 

1.0 

1.0 

1 2 

3 4 

5 6 

7 8 9 

10 11

12

x

0

y

0

 

x

0

 

„0” 

grubość 1,0 m 

A 

A 

V

1

 = 8000 kN, 

M

1

 = 10000 kNm 

V

2

 = 5000 kN, 

M

2

 = 6000 kNm 

background image

 

5

c) Układy dwuwymiarowe z palami pionowymi i ukośnymi  

  (np. ściany oporowe, przyczółki mostowe, nabrzeża, bloki kotwiące na palach itp.) 

Układy takie stosuje się przy złożonych obciążeniach - od sił pionowych, poziomych i momentów. 
Ze względu na siły poziome konieczne są pale ukośne. 

 – fundament na 2 palach 

 – fundament na 3 palach 

 

-  fundament na więcej niż 3 palach 

 
 

N

1

 

N

2

H

Q

Q

N

1

 

N

2

rozwiązanie graficzne 

Schemat

rozwiązanie analityczne: 

      

Σ

X = 0 

      

Σ

Y = 0 

N

1

,  N

2

 

Σ

Σ

N

2

 

N

3

 

Q

N

1

 

N

2

 

rozwiązanie graficzne 

Schemat

rozwiązanie analityczne: 

    

Σ

 X = 0 

    

Σ

 Y = 0 

    

Σ

 M = 0 

N

1

,  N

2

, N

3

 

N

1

 

ΣM

0

 

E

B

z

N

3

rozwiązanie : 

1) w przypadku jednego pala 
    ukośnego możliwe rozwiązanie
    analityczne 

2) metoda Nökkentveda 

3) metoda macierzowa 

4) metoda numeryczna 
   np. programem komputerowym 
   do statyki układów prętowych

 

ΣV

ΣH

N

2

 

Schemat

N

1

ΣM

N

3

 

N

4

N

5

 

V

1

 

V

2

 

M

1

 

H

1

 

H

2

background image

 

6

Zadanie przykładowe 4.4 
Wyznaczyć metodą graficzną i analityczną wartości sił w palach pod fundamentem ściany 
oporowej. 

Obliczenia: 
Obciążenia sprowadzone do geometrycznego środka 
podstawy fundamentu: 

40

,

302

=

V

 kN/m 

27

,

143

=

H

 kN/m 

7

,

81

0

=

M

 kNm/m 

Wypadkowa obciążeń: 

6

,

334

27

,

143

4

,

302

2

2

=

+

=

Q

 kN/m 

Mimośród przyłożenia wypadkowej względem 
geometrycznego środka płyty fundamentowej: 

27

,

0

4

,

302

7

,

81

=

=

B

e

 m 

 

a) Metoda graficzna Culmanna

  (skala sił 1 cm = 100 kN/m): 

Odczytujemy z wieloboku sił długości wektorów S

1

S

2

  i  S

3

. Przeliczamy odczytane wielkości na 

jednostki siły według przyjętej skali:

 

 

S

= 1,8 · 100 = 180,0 kN/m 

S

= 3,6 · 100 = 360,0 kN/m 

S

= 2,35 · 100 = 235,0 kN/m 

W palu nr 3 jest siła wyciągająca. 
 
 
 

 

b) Metoda analityczna: 

Suma momentów względem punktu B

0

)

2

(

0

1

=

+

=

Σ

AB

e

V

AB

S

M

B

k

B

 

=

=

+

1

1

0

)

2

5

,

2

27

,

0

(

4

,

302

5

,

2

S

S

  183,9 kN/m 

Suma momentów względem punktu A

(

)

0

)

2

(

cos

cos

0

3

2

=

+

=

Σ

B

k

A

e

AB

V

AB

S

S

M

α

α

 

(

)

2

,

122

0

)

27

,

0

2

5

,

2

(

4

,

302

5

,

2

97

,

0

97

,

0

2

3

3

2

+

=

=

+

S

S

S

S

 

Suma rzutów sił na oś X

0

sin

sin

3

2

=

k

H

S

S

α

α

 

0

27

,

143

242

,

0

242

,

0

3

2

=

S

S

 

H

 

V

 

M

0,35 m

 

0,35 m

 

2,50 m

3,20 m

(1)

 

(3)

 

(2)

 

0

 

A

 

B

 

(1)

 

α

 

(3)

 

α

 

(2)

 

Q

 

= 334,6 kN/m

 

e

B

 = 0,27 m

 

C

 

S

1

 

S

2

 

S

3

z

Q = 334,6 kN 

(3,35 cm) 

S

2

 (3,6 cm)

S

3

 (2,35 cm)

 

S

1

 (1,8 cm)

background image

 

7

Podstawiamy 2

,

122

2

3

+

S

S

(

)

=

=

+

2

2

2

0

27

,

143

242

,

0

2

,

122

242

,

0

S

S

S

 357,2 kN/m 

=

+

=

+

=

2

,

122

2

,

357

2

,

122

2

3

S

S

 -235 kN/m 

 
Różnice pomiędzy metodą a) i b) wynikają z niedokładności pomiarowych w metodzie a)
 
 
Zadanie przykładowe 4.5 

Stosując metodę sztywnego oczepu policzyć siły w palach fundamentu palowego przyczółka 
wiaduktu drogowego przedstawionego na rysunku. W obciążeniach uwzględniony jest również 
ciężar przyczółka i oczepu fundamentowego. 

 

Z równowagi sił poziomych wyznaczamy siłę w palach w rzędzie (1) 

°

=

=

5

,

9

6

/

1

tan

α

α

 

19400

5

,

9

sin

/

3200

sin

/

0

sin

0

1

1

=

°

=

=

=

=

α

α

H

N

N

H

X

kN 

Siła w pojedynczym palu:   

=

=

6

/

19400

1

N

3230

 kN 

Myślowo usuwamy pale z rzędu nr (1), a składową pionową siły  N

1

 traktujemy jako dodatkowe 

obciążenie zewnętrzne. Usuwamy też ze schematu obciążenia poziome. 

19130

5

,

9

cos

19400

cos

1

1

=

°

=

=

α

N

N

v

kN 

1,5

 

2,0

0,5

 

5,0

 

M

2,5

2,5

 

2,5

 

0,75

0,75

Plan palowania 

V = 15000 kN 

H = 3200 kN 

M = 4800 kNm 

2,2

 

2,2

 

2,2

 

2,2

 

2,2

 

1,0

 

1,0

 

6:1

 

(4)

 

(1)

 

(2)

 

(3)

 

α

 

A

 

A

 

y

y

x

M

(4)

 

(2)

 

(3)

 

N

4

 

N

3

 

N

2

 

N

1

„0” 

(1)

 

Schemat 

background image

 

8

 

 
 
 
Środek geometryczny nowego układu pali: 
S

yA

 = -2

⋅2,5 – 2⋅5,0 = –15,0 m 

x

0

 = –15,0/10 = –1,5 m 

Obciążenia sprowadzone do punktu „0”: 
ΣV = 15000 –19130 = –4130 kN 
ΣM

y0

 = 4800 + 15000

⋅(0,5 + 1,5) –19130⋅(2,5 + 1,5) = –41720 kNm 

Momenty bezwładności układu pali względem osi y

0

Σx

i

2

 = 6

⋅1,5

2

 + 2

⋅1,0

2

 + 2

⋅3,5

2

 = 40,0 m

2

  

Siły w pozostałych palach (wartości na pojedyncze pale): 

=

+

=

5

,

1

0

,

40

41720

10

4130

2

N

 –1978 kN   

→  siła wyciągająca pal 

=

+

=

)

0

,

1

(

0

,

40

41720

10

4130

3

N

 630 kN 

=

+

=

)

5

,

3

(

0

,

40

41720

10

4130

4

N

 3240 kN 

 

 
 
 
 

M

N

1v

A

 

A

 

„0” 

y

x

y

N

4

 

N

3

 

N

2

 

N

1

= 3230

N

2

= 1978 

N

3

= 630 

N

4

= 3240 

(Siły w pojedynczych palach [kN]) 

Prezentacja wyników obliczeń

background image

 

9

Metoda sprężystego oczepu na podporach sprężystych 

W obliczeniach uwzględnia się rzeczywistą sztywność oczepu (np. belki, rusztu lub płyty), a pale 
wyraża się w postaci podpór sprężystych o sztywnościach k

z

. Sztywności te wyznacza się z obliczeń 

osiadań pali. Przy niedużej liczbie pali, sztywność k

z

 można przyjąć w przybliżeniu z zalezności: 

D

.

N

)

N

(

s

N

k

t

t

t

z

=

01

0

  [kN/m] 

w którym:  
    N

t

     – nośność pala na wciskanie obliczona według normy, 

   s(N

t

) – osiadanie pala przy mobilizacji nośności N

t

. Z wielu próbnych obciążeń pali wynika, że 

osiadanie to wynosi w przybliżeniu 1% średnicy pala (0.01

⋅D). 

W wyniku obliczeń otrzymuje się siły w palach oraz siły wewnętrzne w oczepie (momenty 
zginające, siły tnące) oraz jego przemieszczenia (ugięcia). Nie otrzymuje się w tej metodzie 
momentów zginających w palach. Rozwiązanie układu wykonać najlepiej za pomocą 
odpowiedniego programu komputerowego do liczenia układów prętowych i płyt.  

Przykłady: 

a) belka na podporach sprężystych obciążona pionowo i momentami 

 

 

b) ruszt na podporach sprężystych obciążony pionowo i momentami 
 

 

V

4

 

V

5

V

3

 

V

1

 

V

2

M

4

 

M

1

 

M

3

 

V

1

 

V

2

 

M

1

 

Schemat

V

3

V

1

V

2

M

1

V

3

 

g

F

EJ

F

 

k

z

k

z

k

z

k

z

 

k

z

 

N

1

N

2

N

3

N

4

 

N

5

 

wykres momentów 

rozwiązanie

g

F

siły w palach 

M

1

N

1

N

2

N

j

wykres momentów

siły w palach 

k

z

 

V

4

 

V

5

V

2

 

V

1

V

3

 

q+g

F

Schemat

rozwiązanie 

M

4

 

M

3

 

EJ

F

GJ

sF

EJ

F

 – sztywność giętna 

          belek rusztu 
GJ

sF

 – sztywność skrętna 

          belek rusztu 

N

i

 

background image

 

10

c) płyta na podporach sprężystych obciążona pionowo i momentami 

Przygotowanie schematu statycznego i obliczenia podobne do rusztu belkowego na palach. 
Obliczenia wykonuje się programami komputerowymi do analizy statycznej płyt (MES). 

d) fundament palowy obciążony pionowo, poziomo i momentami (z palami ukośnymi) 

 

 
Metoda uogólniona 

W metodzie tej przygotowuje się schemat obliczeniowy fundamentu palowego, w którym pale 
modeluje się w postaci prętów współpracujących na całej swojej długości z gruntem jako 
ośrodkiem sprężystym lub sprężysto-plastycznym. Uwzględniony jest w ten sposób wpływ 
warunków gruntowych na pracę całego układu i na otrzymywane wyniki obliczeń. Metody 
sztywnego i sprężystego oczepu tego wpływu nie uwzględniją. Współpracę pali z gruntem wyraża 
się za pomocą szeregu podpór sprężystych lub sprężysto-plastycznych,  rozmieszczonych wzdłuż 
pali. Odpowiednie dobranie parametrów tych podpór jest największą istotą metody. Sposób ich 
określania w Polsce opracował M. Kosecki (1988, 2006). 

Powstające w efekcie schematy statyczne fundamentów palowych są wielokrotnie statycznie 

niewyznaczalne i wymagają do rozwiązania programów komputerowych do macierzowej analizy 
konstrukcji. W przypadku podpór sprężystych obliczenia wykonuje się jednoetapowo, 
a w przypadku podpór sprężysto-plastycznych – kilkuetapowo: iteracyjnie lub przyrostowo. 
W wynikach obliczeń otrzymuje się w miarę rzeczywiste wartości sił i momentów w palach, sił 
wewnętrznych w nadbudowie i przemieszczeń całej konstrukcji. Jak dotąd jest to najlepsza 
z praktycznych metod obliczania fundamentów palowych, znajdująca zastosowanie w projektowa-
niu. 

Przykład fundamentu palowego obliczonego metodą uogólnioną. 
 

 

N

2

N

2

Schemat 

N

1

 

N

3

 

N

4

 

N

5

V

1

V

2

 

M

1

 

H

1

 

H

2

V

1

V

2

M

1

H

1

H

2

k

z

g

F

 

rozwiązanie

k

z

k

z

k

z

 

k

z

 

N

1

N

3

N

4

 

N

5

 

wykres momentów 

siły w palach 

V

1

=1000 kN  V

2

=800 kN 

M

1

=1500 

      kNm 

q=60 kN/m 

H

1

=300 kN 

H

2

=200 kN

Pd,  
I

D

=0.35

0,8 

1,0 

3,5 

5,0 

1,5  1,0

T/Nm 

Pd, I

D

=0.50

Pd, I

D

=0.70 

-1,0

-3,0

-8,0

-10,0

-12.0 

pale Vibro

φ460 mm

V

1

 

V

2

 

M

1

 

H

1

 

H

2

 

k

xi

 

K

z

 

EJ

p

 

EJ

F

 

Schemat 

background image

 

11

 

 

Rozwiązanie 

N

1

=1088

191 

169 

72 

79 

62

60 

49

49 

N

2

=902 

N

3

=623

N

4

=41 

1316 

211 

184 

457 

712

150 

50 

7.0 

8.0 

1.0 

M [kNm]

N [kN] 

δ [mm] 

background image

 

12

Metody obliczeniowe pośrednie 

W niektórych przypadkach możliwe są uproszczenia w metodzie uogólnionej. Polegają one 

np. na przyjęciu jako prętów górą połączonych sztywno z oczepem, a dołem utwierdzonych na 
obrót w gruncie nośnym na pewnej głębokości (od 3 do 5 średnic pala) i sprężyście podpartych 
w kierunku osiowym. Takie uproszczenie jest możliwe do zastosowania przy obliczaniu palowych 
konstrukcji wodnych (np. pirsy, nabrzeża, pomosty) oraz w przypadku występowania w podłożu 
gruntowym bardzo słabych warstw od samego oczepu, aż do warstw nośnych, w których zagłębione 
są pale (również bez warstw wytrzymałych pomiędzy warstwami słabymi). Aby możliwe było 
przyjęcie utwierdzenia pali w warstwach nośnych potrzebne jest dość znaczne ich zagłębienie 
w tych warstwach, na co najmniej 6 do 10 średnic pali (patrz rysunek poniżej).  
 

 

W powyższym rozwiązaniu otrzymuje się zawyżone wartości przemieszczeń poziomych 
fundamentów oraz momentów zginających w palach. 
 

V

1

 

V

2

 

M

1

 

H

1

 

H

2

T/Nm 

V

1

V

2

 

M

1

H

1

H

2

 

K

z

EJ

p

 

EJ

F

 

warstwy gruntów 

nośnych 

∼(3÷5)D

≥(3÷5)D

pale 

o średnicy D

poziom utwier-

dzenia pali 

Schemat 

N

1

N

2

 

N

3

 

N

4

[ MN ]

 [ δ ] 

Rozwiązanie