numeriČko modeliranje sidrenih zaŠtitnih …hupg.hr/file/dpg2011/dan 1/dpg2011_07_sokolić.pdf ·...
TRANSCRIPT
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
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
1) UVODGranična stanja
globalna stabilnost (GEO) prevrtanje (GEO) nosivost sidra (STR)
nosivost sidra (GEO) nosivost zida (STR) nosivost stope zida (GEO)
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
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)
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
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
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
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
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
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
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
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.
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
1) UVODSuvremeni pristup numeričkom modeliranju
Model iskopa građevne jame u berlinskom pijesku sa zaštitnom dijafragmom sidrenom u tri
reda (Schweiger 2002) Rezultati usporednih analiza
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
horizontalni pomak [mm]
2. OSNOVNE SMJERNICE ZA
MODELIRANJE
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
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.
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
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
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
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)
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
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)
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
horizontalni pomak zida [mm]
x-koordinata dna iskopa od središta prema zidu [m]
MEKA GLINA
povećanješirine
povećanjedubine
3. STANJE NAPREZANJA U TLU
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
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
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
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)
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
4.PONAŠANJE TLA I ODABIR
MODELA TLA
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
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)
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
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)
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
MEKE GLINE KRUTE GLINE
4) PONAŠANJE TLA I ODABIR MODELAPonašanje pijeska i dilatacija tla
Ponašanje pijeska u troosnom pokusu smicanja – CID pokusDILATACIJA
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
4) PONAŠANJE TLA I ODABIR MODELAOdabir modela tla
Osnovne karakteristike konstitucijskih modela tla dostupnih u komercijalnim računalnim programima za proračun geotehničkih konstrukcija
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
5.HARDENING SOIL MODEL
TLA (HS i HSs)
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
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
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
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
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
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
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
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
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
6.PRIMJER SIDRENE ZAŠTITNE
KONSTRUKCIJE OD ČELIČNOG ŽMURJA
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
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
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
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
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
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)
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
6) PRIMJERParametarske analize
Analiza utjecaja referentnog modula krutosti pri 50% čvrstoće E50
refAnaliza utjecaja referentnog modula
krutosti E0ref
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
6) PRIMJERParametarske analize
Analiza utjecaja referentnog modula krutosti pri 50% čvrstoće E50
refAnaliza utjecaja praga posmične
deformacije γ0.7
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
6) PRIMJERPovratne analize
Primjer povratnih analiza za kalibraciju parametara HS modela tla (Sokolić i Vukadinović 2007)
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
7. ZAKLJUČAK
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
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.
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..
HVALA NA PAŽNJI !
DANI PODZEMNE GRADNJE 2011, Dr.sc. Igor Sokolić, dipl.ing.građ, Građevinski fakultet u Zagrebu, 06.07.2011..