Metodik för riskklassificering av byggnader i samband med en grundvattensänkning

Abstract (Swedish)

En styrd grundvattensänkning är ett vanligt inslag i byggprojekt där markarbeten sker under grundvattennivån. Under byggtiden sänks grundvattennivån genom att grundvatten pumpas upp genom installerade brunnar. En sänkning av grundvattennivån minskar portrycket och ökar effektivspänningen i jorden vilket medför marksättningar. Storleken på marksättningar beror på avsänkningens storlek och jordegenskaper. Avsänkningen är störst vid den installerade brunnen och avtar med avståndet från uttagsplatsen. Vid antagande om en homogen jordstruktur minskar således sättningens storlek med avståndet från uttagsplatsen. En styrd grundvattensänkning ger av denna anledning upphov till differenssättningar inom påverkansområdet. Differenssättningar kan ge upphov till skador på befintliga byggnader. Inför en styrd grundvattensänkning utvärderas risken för skador på omkringliggande byggnader. I dagens läge finns ingen standard, eller en för branschen gemensam metod, som beskriver ett tillvägagångssätt för riskklassificering vid en styrd grundvattensänkning. För bedömning och riskklassificering av byggnader vid arbeten som inducerar vibrationer och stötar, exempelvis sprängning och markarbeten finns det idag två stycken gällande standarder. Enligt standarderna bedöms faktorer som har en inverkan på en byggnads kapacitet att motstå skador. Ett riktvärde för tillåten vertikal svängningshastighet kan därefter beräknas. Syftet med detta examensarbete är att studera hur en systematiserad metodik för riskklassificering av byggnader kan utformas. Metodiken ska vara generell och kunna tillämpas oberoende typ av byggprojekt som ger upphov till differenssättningar.

Rapporten beskriver följder som kan uppstå på byggnader samt hur olika markförhållanden och byggnadsegenskaper påverkar omfattningen av en skada. Vanliga skador på byggnader är sprickor. Sprickorna uppstår när materialets kritiska töjning uppnås. Den kritiska töjningen är en svår parameter att uppskatta vid en riskklassificering av byggnader. Istället för den kritiska töjningen förutses lutningen, det vill säga förhållandet mellan differenssättning och avståndet mellan två punkter. Förhållandet kan sedan kopplas till troliga skador på en byggnad. Rapporten resulterar i ett förslag på en systematisk metodik för riskklassificering av byggnader. Inspiration till utformning av metodiken har hämtats från de tidigare nämnda standarderna. I metodiken bedöms en byggnad utifrån ett antal faktorer som påverkar byggnadens kapacitet att genomgå en differenssättning utan att erhålla skador. En byggnads egenskaper tilldelas poäng beroende på dess kapacitet. Poängsumman resulterar i att byggnaden placeras i en byggnadskategori med en tillhörande tillåten lutning för byggnaden. För att undvika skada bör lutningen för byggnaden inte överstiga detta värde. Området som påverkas av grundvattensänkningen delas in i så kallade lutningszoner utifrån den förväntade sättningsprofilen. En byggnad klassificeras som ett riskobjekt om den är placerad i en lutningszon där markens lutning förväntas överskrida den tillåtna lutningen enligt tidigare tilldelad byggnadskategori. En litteraturstudie har lett fram till ett flertal faktorer som påverkar omfattningen av en skada. Faktorerna som bedöms i metodiken är byggnadens längd, typ av grundläggning, stommaterial och fasad. Byggnadens längd bedöms ha en stor inverkan då en lång byggnad i högre grad än en kortare behöver krökas för att följa den ojämna sättningsprofilen. Föreslagen metodik har utvärderats genom att praktiskt tillämpas på byggnader som är aktuella i ett byggprojekt med grundvattensänkning.

Slutsatsen av arbetet är att det är möjligt att genom en generell metodik bedöma risken för skador på byggnader innan ett byggprojekt och en styrd grundvattensänkning inleds. Föreslagen riskklassificering utförs genom att ett antal byggnadsegenskaper bedöms utifrån hur de påverkar byggnadens kapacitet att genomgå en differenssättning. Med hjälp av metodiken kan riskobjekt tidigt identifieras. Den föreslagna metodiken kan vara vägledande till en framtida utformning av en standard.

Abstract

During a construction project where excavation is made beneath the water table, it is common to perform a lowering of the water table. The groundwater can be extracted by installed wells in the stratum of water-bearing soil. A lowering of the water table results in a decreased pore pressure and in an increased effective stress in the soil. An increased effective stress results in ground settlements. The magnitude of the settlements depends on the size of the cone of depression and properties of the soil. The greatest drawdown occurs closest to the well. The drawdown is decreased with the distance from the source of dewatering. With an assumption of a uniform soil condition, differential settlements develop in the area affected by the groundwater lowering. Differential settlements can cause damage to adjacent structures within the affected area, the zone of influence. Before a groundwater lowering is initiated an assessment is performed regarding risk of damage to structures. At present, a standardised methodology to assess the risk of damage does not exist in Sweden. There are two standardised methodologies available to assess the risk of damage to structures affected by vibrations and shocks induced by construction activities. According to these standards, a risk assessment of potential damage is made by evaluating factors that affect the sensitivity of structures to vibrations and shocks. Depending on the evaluation, a guidance level of frequency of oscillation can be calculated. The purpose of this master dissertation is to study how a systematised methodology to assess structures can be designed. The prospective methodology shall be general and therefore be able to apply to any kind of construction projects that involves risk of differential settlements.

This report describes how the extent of damage to structures is affected by different soil conditions and properties of the structures. A common damage type to structures is crack development. Cracks appears when the critical strain for a material is reached. When evaluating a potential damage to a structure it is difficult to estimate the critical strain. Instead, the expected inclination of the structure is used. An inclination is defined by the ratio of differential settlement and the distance between two points. The ratio can then be associated with a degree of damage. The result of this study is presented as a general methodology. The methodology describes a course of action to assess risk of potential damage to structures during groundwater lowering. The standardised methodologies regarding vibrations and shocks have been an inspiration when designing the proposed methodology. According to the proposed methodology, a structure is evaluated by a number of factors that affect the capacity to withstand a differential settlement without obtaining damage. Properties of the structure are given points by its capacity. By summing the points, a category can be assigned to the structure. The category defines a value of tolerated inclination to avoid damage. The zone of influence is divided into zones of inclination, according to the expected differential settlements. A structure that is subjected to an inclination larger than its tolerated inclination, is defined as a structure at risk. Evaluated factors in the proposed methodology are based on a literature study. Assessed factors are the length of the building as well as type of foundation, framework and facade. The length of the building is considered to have a relatively large impact on the extent of damage, due to the fact that a longer building, compared to a shorter, undergoes a larger distortion when subjected to a differential settlement.

The conclusion of this study is that it is possible to assess the risk of damage to structures by using a general methodology. Such a methodology enables to determine the number of structures at risk before initiating a groundwater lowering. A general methodology is proposed and can be a starting point of development of a standard.

• author: Emanuelsson, Anders and Johansson, Melina
• supervisor: Ola Dahlblom; Erika Tudisco; Henrik Möller
• organization: Geotechnical Engineering; Department of Construction Sciences
• alternative title: Methodology for estimating the risk of damage to buildings in connection with groundwater lowering
• course: VGTM01 20152
• year: 2016
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: differential settlements, zone of influence, structures, damage, methodology, risk assessment, groundwater lowering
• publication/series: TVGT
• report number: TVGT-5056
• ISSN: 0349-4977
• language: Swedish
• id: 8867573
• alternative location: http://www.geoteknik.lth.se/english/publications/masters-dissertations/
• date added to LUP: 2016-03-27 13:22:32
• date last changed: 2016-03-27 13:22:32