Zemné kotvy

Jedná sa o systém dynamicky hnaných zemných kotiev (Percussion Driven Earth Anchors - PDEA®), ktorého výrobcom je celosvetovo známa britská spoločnosť Platipus Anchors, ktorá sa zaoberá výrobou a inštaláciou týchto prvkov už od roku 1982. Dynamicky hnané zemné kotvy sú unikátnym, moderným a univerzálnym nástrojom, ktorý môže byť použitý vo väčšine typov zemín

POPIS KOTEVNÉHO SYSTÉMU

Systém ponúka ľahké korózii vzdorné zemné kotvy, ktorých inštalácia je možná v teréne za pomoci bežne dostupného prenosného zariadenia, ako je napríklad príklepové kladivo. Behom inštalácie kotiev dochádza k minimálnemu rozrušeniu zemného prostredia, bezprostredne po inštalácii môže byť kotva napnutá na požadované napätie a stáva sa okamžite plne funkčná. Tím, že sa jedná o kompletne suchú výstavbu, je dopad na životné prostredie minimálny.

POUŽITIE KOTEVNÉHO SYSTÉMU

Kotevný systém je možné použiť pre širokú škálu priemyslových oblastí od stavebníctva, cez kotvenie potrubia, rozvodov elektrického vedenia, po kotvenie zelene, od vzrastlých stromov až po vedenie podporných systémov vo viniciach. Konkrétne možnosti použitia v stavebníctve:

• Protierózna ochrana svahov
• Povrchové zosuvy
• Hlboké šmykové plochy
• Svahové zárezy
• Sanácie oporných múrov
• Kotvenie pažiacich konštrukcií

PRVKY KOTEVNÉHO SYSTÉMU A PRÍSLUŠENSTVA

Kotevný systém pozostáva z piatich základných komponent:

• Oceľové kotvy
• Oceľové lano prípadne oceľová závitová tyč
• Roznášacia doska
• Spojovací prvok v mieste oceľová kotva x tyč/lano
• Ukončovací prvok v mieste roznášacia doska x tyč/lano

Oceľové lano alebo tyč sú cez spojovací prvok s kotvou prepojené kĺbovo, aby po inštalácii kotvy mohlo dôjsť k jej aktivácii pootočením v zemine. Oceľové kotvy sa vyrábajú vo dvoch variantoch a každý variant v niekoľkých veľkostiach podľa spôsobu použitia a požadovaných charakteristík pre zaistenie požadovaných návrhových parametrov kotevného systému. Jedná sa predovšetkým o tvar kotvy, kedy rozoznávame kotvy tvaru "Stealth" a "Bat".

Zemné kotvy tvaru Stealth

Zemné kotvy tvaru Bat

Zatiaľ čo tvar kotvy "Stealth" umožňuje jednoduchšie zavedenie iba pomocou jednoduchého ručného alebo elektrického náradia, a je teda vhodná aj pre prácu v miestach s obmedzeným prístupom, kotva "Bat" je oproti tomu navrhnutá pre dosiahnutie vyšších zaťažení a tiež dosahuje vyššej účinnosti kotvenia predovšetkým v mäkkých jemnozrnných zeminách.

Oceľové laná aj závitové tyče sa vyrábajú v rôznych priemeroch podľa požiadaviek projektu a podľa parametrov zabezpečovanej konštrukcie. Oceľové laná dosahujú spravidla nižších pevností než oceľové tyče a používajú sa v jednoduchších a menej náročných konštrukciách. Hlavnou výhodou oceľového lana je možnosť použitia tohoto systému v stiesnených priestoroch, kedy nie je možné pracovať s kotvami tyčovými. Tyčové kotvy sú používané ako závitové a sú na projektom požadovanú kotevnú dĺžku napojované štandardne po dvojmetrových dĺžkach. Vykonávané kotvenie je možné v prípade potreby variabilne upravovať čo do nutnej kotevnej dĺžky prvku. Hlavnou výhodou je teda možnosť operatívneho predĺženia kotevnej dĺžky v prípade, že sa skúškami v reálnych podmienkach stavby táto potreba preukáže.

Ukončenie a aktivácia kotvy nad terénom sa vykonáva cez roznášaciu dosku a môže zostať viditeľné alebo je možné ho skryť. Aktivácia lanovej kotvy sa vykonáva pomocou hydraulického lisu cez klinový úchyt, tyčové kotvy sú potom aktivované cez matice. Niektoré aplikácie, napríklad historické stavby, vyžadujú, aby všetky stopy po kotvení boli skryté. Toto je možné dosiahnuť zapustením horného kovania kotevného systému do konštrukcie.

ŽIVOTNOSŤ KOTEVNÉHO SYSTÉMU

Návrhová životnosť kotevného systému závisí na použitom základnom materiáli a povrchovej úprave jednak samotných kotiev, kotevných lán/tyčí, ale aj kotevného príslušenstva. Kotevný systém môže byť vyrobený ako dočasný, s životnosťou do 5 rokov, alebo ako trvalý, s životnosťou až 120 rokov. Predpokladaná životnosť kotevného systému môže byť ovplyvnená agresivitou zemného prostredia, v ktorom je systém umiestnený a je nutné príslušnú agresivitu prostredia zohľadniť pri výbere požadovanej povrchovej úpravy všetkých systémových komponentov. Podľa požiadavky na návrhovú životnosť sa systémové prvky vyrábajú z hliníkových zliatin, galvanizovanej liatiny alebo hliníkového bronzu.

Pre kotevné laná sa štandardne používa galvanizovaná oceľ pre návrhovú životnosť 50 rokov alebo nerezová oceľ pre návrhovú životnosť 120 rokov, pre závitové tyče sa štandardne používa difúzne zinkovaná oceľ pre návrhovú životnosť 60 rokov alebo nerezová oceľ pre návrhovú životnosť 120 rokov.

INŠTALÁCIA KOTEVNÉHO SYSTÉMU

Inštalácia kotevného systému pozostáva z troch hlavných krokov:

• Dynamické zarazenie kotvy do zemného prostredia pomocou hnacej/inštalačnej tyče
• Vytiahnutie hnacej tyče
• Napnutie kotvy

Príslušenstvo pre inštaláciu kotevného systému

Inštalácia kotiev prebieha pomocou prenosného zariadenia používaného buď ručne alebo pomocou zariadenia upnutého na štandardné stavebné mechanizmy. Rovnaké zariadenie sa používa aj pre zatlačenie inštalačnej tyče do zeminy aj pre jej vytiahnutie.

FÁZA AKTIVÁCIE KOTVY

Prvá fáza – zaklesnutie/zaklínenie kotvy 
Zaklínenie kotvy spočíva v použití ťahovej sily, čím dôjde k pootočeniu kotvy na konci kotevnej tyče/lana do aktívnej polohy, pri ktorej kotva pôsobí voči okolitému zeminovému prostrediu.

Druhá fáza – stlačenie a zaťaženie 
Pod aplikovaným napätím sa, bezprostredne pred kotvou, v zemine generuje pomyselný roznášací komolý kužeľ stláčanej zeminy. V tomto okamihu zaťaženie rastie za minimálneho pretvorenia. Celkové pretvorenie je ovplyvnené typom zeminového prostredia.  

Tretia fáza – maximálne dosiahnuté zaťaženie – dosiahnutie maximálnej únosnosti kotevného systému
Zvyšujúce sa zaťaženie, pôsobiace na kotvu, dosahuje šmykovej pevnosti zeminy, rýchlosť nárastu zaťaženia sa následne znižuje až do prekročenia jej šmykovej pevnosti. 

Štvrtá fáza – vyčerpanie šmykovej pevnosti zeminy 
Upozornenie: v okamihu, kedy je vyčerpaná šmyková pevnosť zeminy, dochádza k vyťahovaniu kotvy. S posunom kotvy v zemine smerom k povrchu sa bude reziduálne zaťaženie s narastajúcim predĺžením znižovať.

VÝPOČTOVÁ METODIKA

Únosnosť kotiev je určovaná a modelovaná pomocou štandardnej Terzaghiho rovnice (1943) pre únosnosť, ktorá zohľadňuje vplyv súdržnosti a trenia medzi plochou hlavy kotvy a zeminou. Vplyv tlaku nadložia, teda hĺbky inštalácie kotvy v prípade nesúdržných zemín, je pri tejto analýze zásadný. Terzaghiho rovnica rovnako umožňuje zohľadniť čiastočné alebo plné nasýtenie zeminy vodou.  Rozrušenie základovej pôdy behom inštalácie je zohľadňované súčiniteľmi tvaru, ktorých hodnoty sú koreláciou výsledkov skúšok in-situ s teoretickými výpočtovými modelmi.
Pro čisto kohezívny model za neodvodnených podmienok môže byť použitá Skemptonova teória. Teória aj prax indikujú a empiricky je možné uvažovať, že maximálne napätie v kotve pred porušením je 9 x hodnota neodvodnenej šmykovej pevnosti.

V posledných dvadsiatich rokoch bolo vydaných mnoho národných dokumentov popisujúcich Návrhové metodiky, Špecifikácie a Konštrukčné detaily kotiev. Mnoho z nich bolo nahradených Eurokódom 7 Navrhovanie geotechnických konštrukcií a EN 14490 Vykonávanie špeciálnych geotechnických prác - Klincovanie zemín.

UKÁŽKA REALIZÁCIE

Pri vykonávaní výkopových prác pre výstavbu nového objektu v obci Savièse na juhu Švajčiarska došlo k zosuvu v strednej časti zárezu celkovej výšky 14 m, čím boli zastavené práce na výstavbe objektu. Pre možnosť obnovy prác na objekte bolo nutné nájsť rýchle, spoľahlivé a trvalé riešenie sanácie svahu. Zemné kotvy Platipus boli vybrané jednak pre ich vhodnosť použitia v súdržných zeminách, ale tiež z dôvodu jednoduchej inštalácie v obmedzenom priestore a okamžitej dostupnosti výrobku.

Sanácia svahu s celkovou plochou 500 m² bola vykonaná dvoma typmi kotiev. Najskôr boli v spodnej polovici za pomoci kráčajúceho bagru umiestnené štyri rady kotiev typu „Bat“ kotvené do hĺbky 9 m a testované na tlak 90 kN. Potom bolo v hornej polovici svahu umiestnených päť radov menších kotiev „Stealth“ s kotevnou dĺžkou 4 m a testované na 30 kN. Tieto kotvy boli inštalované pomocou pneumatického kladiva z mobilnej platformy. Povrchová úprava svahu bola vykonaná pomocou trvalej protieróznej siete, ktorá bola priebežne kotvená k sanovanému svahu.