numeriČko modeliranje sidrenih zaŠtitnih …hupg.hr/file/dpg2011/dan 1/dpg2011_07_sokolić.pdf ·...

NUMERIČKO MODELIRANJE SIDRENIH ZAŠTITNIH KONSTRUKCIJA

DANI PODZEMNE GRADNJE 2011.

Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ.

Sveučilište u ZagrebuGrađevinski fakultet

Zavod za GEOTEHNIKU

SADRŽAJ

1) UVOD

2) OSNOVNE SMJERNICE ZA MODELIRANJE

3) STANJE NAPREZANJA U TLU

4) PONAŠANJE TLA I ODABIR MODELA TLA

5) HARDENING SOIL MODEL TLA

6) PRIMJER SIDRENE KONSTRUKCIJE OD ČELIČNOG ŽMURJA

7) ZAKLJUČAK

DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..

1. UVOD


1) UVODGranična stanja

globalna stabilnost (GEO) prevrtanje (GEO) nosivost sidra (STR)

nosivost sidra (GEO) nosivost zida (STR) nosivost stope zida (GEO)


1) UVODKlasične metode proračuna (γ, c, φ, kw)

Kontrola uporabivosti primjenom opruga u pasivnoj zoni (Winkler)

Način kontrole stabilnosti ovisno o mjestu pridržanja

Procjena maksimalnog pomaka konstrukcije (Clough i O’Rourke 1990 )

Određivanje pritiska tla (DIN)


normalizirana krutost (EI)/(gwh4)

stabilnost dna iskopa Fs

1) UVODKlasične metode proračuna

Klasične metode proračuna opterećene su velikim brojem pretpostavki natemelju kojih se definira raspodjela aktivnog i pasivnog pritiska tla na zid tenačin određivanja sila u sidrima, a koje proizlaze iz:velikog utjecaja interakcije tla i konstrukcije,izrazito nelinearnog ponašanja tla,značajne promjene stanja naprezanja u tlu uslijed iskopa,utjecaja redoslijeda ugradnje sidara i iskopa građevne jame.

Utjecaj mjesta pridržanja na aktivni pritiska tla na konstrukciju


1) UVODNumeričko modeliranje

deformacije tla i konstrukcije procjeđivanje vode u tlu

globalna stabilnost (φ - c redukcija) rezne sile u konstrukciji pomaci

M T N w


1) UVODProblemi u primjeni numeričkih metoda

Problemi u primjeni numeričkih metoda općenito se javljaju kod slijedećihelemenata modeliranja (De Vos i Whenhman 2006):► diskretizacija mreže konačnih elemenata (11% ispitanika)► odabir vrste elemenata modela (5% ispitanika)► definiranje rubnih uvjeta (10% ispitanika)► određivanje inicijalnog stanja naprezanja u tlu (16% ispitanika)► odabir modela tla (15% ispitanika)► definiranje vrste proračuna (9% ispitanika)► odabir parametara modela (23% ispitanika) ► interpretacija rezultata simulacija (13% ispitanika)► ostalo (1% ispitanika)

istraživački instituti fakulteti izvođači projektanti / konzultanti


1) UVODSuvremeni pristup numeričkom modeliranju

Suvremeni pristup numeričkom modeliranju usko je povezan sa razvojemistraživanja na području: naprednih konstitucijskih modela tla suvremene teorije mehanike tla suvremenih metoda ispitivanja tla (laboratorij + in situ) opažanja izvedenih zaštitnih konstrukcija

Uska povezanost navedenih područja glavni je preduvjet za provedbu: povratnih analiza (engl. back analysis) parametarskih analiza (engl. parametric analysis) usporednih analiza (engl. benchmarking)

Kvalitetna provedba navedenih analiza glavni je pokretač razvojasuvremenog pristupa modeliranja geotehničkih konstrukcija, ali irazumijevanja realnog ponašanja tla općenito.


1) UVODSuvremeni pristup numeričkom modeliranju

Model iskopa građevne jame u berlinskom pijesku sa zaštitnom dijafragmom sidrenom u tri

reda (Schweiger 2002) Rezultati usporednih analiza


horizontalni pomak [mm]

2. OSNOVNE SMJERNICE ZA

MODELIRANJE


2) OSNOVNE SMJERNICE ZA MODELIRANJEVrsta elemenata, veličina mreže i model tla

Trokutasti elementi mreže stabilniji su od pravokutnih elemenata, pri čemu bi izdužene i nepravilne višekutne elemente trebalo izbjegavati.

Važno je da trokutasti elementi imaju minimalno šest čvorova, dok se za slučaj kada u proračunu može doći do sloma tla preporuča upotreba više čvorova.

Gustoću mreže konačnih elemenata treba prilagoditi modelu na način da je gustoća veća na mjestima koncentracije naprezanja (na dnu zaštitnog zida, uz zid i tijelo sidrišne dionice, na mjestu djelovanja površinskog naprezanja i sl.), a da je u ostalim zonama mreže gustoća manja kako bi se smanjilo vrijeme proračuna.

Optimalnu gustoću i veličinu mreže za promatrani model potrebno je odrediti povećavanjem gustoće odnosno veličine mreže do razine gdje daljnje povećanje nema značajan utjecaj na rezultate proračuna.

Kod modeliranja zaštitnog zida treba voditi računa da njegova debljina može imati utjecaj na rezultate proračuna.

LE model tla daje izrazito nerealne deformacije tla i konstrukcije (izdizanje dna jame, rotacija dna konstrukcije prema iskopu), a u tlu se javljaju vlačna naprezanja.

MC model tla može se primijeniti za proračun globalne stabilnosti te preliminarnu procjenu duljine zaštitne konstrukcije i vrijednosti sila u sidrima.


2) OSNOVNE SMJERNICE ZA MODELIRANJEModel tla

MC model tla HS model tla

Analiza utjecaja vrste modela tla na deformaciju mreže konačnih elemenata:Nedostatci MC modela tla:preveliko izdizanje tla na dnu građevne jamenerealni pomaci konstrukcije (rotacija dna zida prema iskopu)prevelika slijeganja površine terena iza zida


2) OSNOVNE SMJERNICE ZA MODELIRANJEModel tla i veličina mreže

Analiza utjecaja vrste modela tla i veličine modela na pritiske tla na konstrukciju i na slijeganje površine terena iza konstrukcije (Potts i Zdravković 2001)


horizontalno naprezanje σ’h [kPa]

x-koordinata pov. terena iza zida

x-koordinata pov. terena iza zida

LE model tla

MC small strain model tla

z = 3xB

z = 5xB

2) OSNOVNE SMJERNICE ZA MODELIRANJEVeličina mreže

Analiza utjecaja veličine mreže konačnih elemenata na pomake konstrukcije i tla na dnu

iskopa (Kempfert i Gebreselasije 2006)


horizontalni pomak zida [mm]

x-koordinata dna iskopa od središta prema zidu [m]

MEKA GLINA

povećanješirine

povećanjedubine

3. STANJE NAPREZANJA U TLU


3) STANJE NAPREZANJA U TLUZone karakterističnih tragova naprezanja

Zone karakterističnih tragova naprezanja u tlu uslijed iskopa jame

Smjer tragova naprezanja u karakterističnim zonama

Zona 1 - vertikalna naprezanja ostaju gotovo stalna a horizontalna se smanjuju (Aktivna zona)Zona 2 - vertikalna naprezanja ostaju gotovo stalna, a horizontalna se povećavaju Zona 3 - vertikalna naprezanja se smanjuju, a horizontalna povećavaju (Pasivna zona)Zona 4 - vertikalna naprezanja se smanjuju, a horizontalna ostaju gotovo stalna


3) STANJE NAPREZANJA U TLUTragovi naprezanja u prekonsolidiranoj glini

Tragovi naprezanja za prekonsolidiranu glinu u točkama uz zaštitnu konstrukciju

ishodište – O’normalna konsolidacija (K0

NC pravac)O’ – Oprekonsolidirano stanje (K0 pravac)O’ – 1A/1Bsmanjenje σ’h uslijed iskopa za dijafragmu1A/1B – 2A/2Bpovećanje σ’h uslijed ugradnje dijafragme2A – 3Asmanjenje σ’h uslijed iskopa (pomak od tla)2B – 3Bpovećanje σ’h uslijed iskopa (pomak prema tlu)3A – 4Arelaksacija efektivnih naprezanja (aktivni slom)3B – 4Brelaksacija efektivnih naprezanja (pasivni slom)


4.PONAŠANJE TLA I ODABIR

MODELA TLA


4) PONAŠANJE TLA I ODABIR MODELAPonašanje tla uslijed smicanja

Smicanje tla u troosnom pokusu. a) naponsko deformacijska krivulja smicanja; b) vršna, kritična i rezidualna čvrstoća tla (Mitchell i Soga 2005)


4) PONAŠANJE TLA I ODABIR MODELAPonašanje sitnozrnatih tla uslijed smicanja

Drenirana i nedrenirana čvrstoća gline: a) meke gline; b) krute gline(Mitchell i Soga 2005)


MEKE GLINE KRUTE GLINE

4) PONAŠANJE TLA I ODABIR MODELAPonašanje pijeska i dilatacija tla

Ponašanje pijeska u troosnom pokusu smicanja – CID pokusDILATACIJA


4) PONAŠANJE TLA I ODABIR MODELAOdabir modela tla

Osnovne karakteristike konstitucijskih modela tla dostupnih u komercijalnim računalnim programima za proračun geotehničkih konstrukcija


5.HARDENING SOIL MODEL

TLA (HS i HSs)


5) HARDENING SOIL MODEL TLAFormulacija HSs modela tla

Plohe popuštanja HSs modela tla

čvrstoća parametri HSs modela tla

krutost

krivulja smicanja

Krivulja smicanja HSs modela tla

)sin1

sin2'cot( 3f ϕϕσϕ

−−= cq

m

refref

pccEE

+−

=ϕϕϕσϕ

sincossin'cos 3

5050

m

refrefur pc

cEE

+−

=ϕϕϕσϕ

sincossin'cos 3

ur

m

refrefoed pc

cEE

+−

=ϕϕϕσϕ

sincossin'cos 1

oed

m

refref

pccGG

+−

=ϕϕϕσϕ

sincossin'cos 3

00

)/1)(2(2 501

fff qqRREq

−−=− ε


E0

γ0.7

5) HARDENING SOIL MODEL TLAHS model za opisivanje pijeska u CID pokusu

Numerička simulacija troosnog CID pokusa na Erksak pijesku uz primjenu HS modela tla - krivulja smicanja i promjene volumena: a) zbijeni uzorak; b) rahli uzorak


ZBIJENI PIJESAK

RAHLI PIJESAK

5) HARDENING SOIL MODEL TLAHS model za opisivanje pijeska u CIU pokusu

Numerička simulacija troosnog CIU pokusa na Erksak pijesku uz primjenu HS modela tla – trag naprezanja i krivulja smicanja: a) zbijeni uzorak; b) rahli uzorak


ZBIJENI PIJESAK

Ψ > 0

RAHLI PIJESAK

Ψ < 0

5) HARDENING SOIL MODEL TLAParametri HS modela tla za Erksak pijesak

Rezultati troosnih ispitivanja i linija kritičnog stanja

Parametri modela prema CID pokusima

Primjenjivost parametara za nedrenirane analize


6.PRIMJER SIDRENE ZAŠTITNE

KONSTRUKCIJE OD ČELIČNOG ŽMURJA


6) PRIMJERGrađevna jama PC-2000

Profil tla na lokaciji i susjednoj lokaciji (Szavits i dr. 2009)Građevna jama PC2000

Deformirana mreža konačnih elemenata, inklinometarska mjerenja i testiranje sidara (Sokolić 2005)

Vs NSPT


6) PRIMJERPočetno stanje u tlu i određivanje parametara

Početno stanje naprezanja (σ’1 i σ’3)i krutosti u tlu (E50 i Eoed)

;

Strategija i redoslijed odabira parametara:- vertikalno efektivno naprezanje (γ’)- koeficijent prekonsolidacije

OCRCH = 3 (edometar); OCRGW = 2 (pov.an.)- horizontalno efektivno naprezanje

(Mayne i Kulhawy 2001) - nedrenirana čvrstoća gline (SPT)

(Stroud 1989)- efektivni kut trenja šljunka (SPT)

; - krutost tla

(Szavits-Nossan 2008)(Plaxis)(Plaxis)

- krutost tla pri malim deformacijama(brzina posmičnih valova vs)

- dilatacija (Rowe 1962)ψCH = 0 !!!;

- ostalo (za krute gline i šljunak)Rf = 0,9; γ0.07 = 2x10-5 ; νur = 0.2; m = 0,5

)'sin(00

ϕOCRKK nc=

60u 4 Nc ⋅=

601)(4.1520' Nop +=ϕ v

refpNN '/)( 60601 σ=

[ ] 60150 )(5 NMPaE ref ⋅=

[ ] refrefoed EMPaE 50=

[ ] refrefur xEMPaE 502=

20 svG ⋅= ρ


cvp

cvp

ϕϕϕϕ

ψsinsin1sinsin

sin GW −

−=

m

refref

pccEE

+−

=ϕϕϕσϕ

sincossin'cos 3

5050

m

refrefoed pc

cEE

+−

=ϕϕϕσϕ

sincossin'cos 1

oed

6) PRIMJERPovratna analiza

Rezultati numeričke simulacije sidrene zaštitne konstrukcije za parametre modela određene prema preporukama (Szavits, Sokolić i Plepelić 2010)


6) PRIMJERParametarske analize

Analiza utjecaja referentnog modula krutosti pri 50% čvrstoće E50

refAnaliza utjecaja referentnog modula

krutosti E0ref


6) PRIMJERParametarske analize

Analiza utjecaja referentnog modula krutosti pri 50% čvrstoće E50

refAnaliza utjecaja praga posmične

deformacije γ0.7


6) PRIMJERPovratne analize

Primjer povratnih analiza za kalibraciju parametara HS modela tla (Sokolić i Vukadinović 2007)


7. ZAKLJUČAK


7) ZAKLJUČAK

Numeričko modeliranje predstavlja vrlo moćan alat za proračun ponašanjasidrenih zaštitnih konstrukcija, međutim prednost njegove primjene u odnosuna klasične metode proračuna (osobito za jednostavnije objekte) još je uvijekupitna.

Prilikom korištenja numeričkih metoda treba težiti za primjenom naprednihmodela tla te posebnu pažnju posvetiti stanju naprezanja u tlu, tragovimanaprezanja, veličini ostvarene deformacije te odabiru parametara modela.

S obzirom na veliku složenost numeričkih proračuna vrlo je važno da jekorisnik suvremenih računalnih programa upoznat, osim sa složenimnačinom rada programa, također i sa suvremenim saznanjima na područjuteorijske mehanike tla, suvremenih konstitucijskih modela tla, ispitivanja tla temonitoringa izvedenih konstrukcija.

U domaćoj praksi sve se češće provodi monitoring tla i konstrukcije što jeomogućilo provođenje kvalitetnih povratnih i parametarskih analiza i otvorilo putsigurnijem i ekonomičnijem projektiranju, međutim za daljnji razvoj nameće sepotreba za kvalitetnijim geotehničkim istražnim radovima kao osnovnimpreduvjetom za kvalitetno određivanje parametara modela tla.


HVALA NA PAŽNJI !


numeriČko modeliranje sidrenih zaŠtitnih …hupg.hr/file/dpg2011/dan 1/dpg2011_07_sokolić.pdf ·...

Documents