MULTICONSULT. Stålpeldag Tine meieriet Seismisk dimensjonering av peler etter Eurokode 8. Farzin Shahrokhi Multiconsult as

Transkript

1 MULTICONSULT Totalleverandør av rådgivningstjenester kompetent - kreativ - komplett Stålpeldag 2011 Tine meieriet Seismisk dimensjonering av peler etter Eurokode 8 Farzin Shahrokhi Multiconsult as

2 Norsk Jordskjelvteknisk Forening (NJF) NJF er ble stiftet i 1988 og er tilknyttet TEKNA, og er medlem i de internasjonale foreningene EAEE og IAEE. NJF har som mål å fremme utviklingen av jordskjelvtekniske fag, og skal arbeide med erfaringsutveksling, utdanning, forskning og kontakt med andre foreninger nasjonalt og internasjonalt. Innføring av norsk standard for seismiske laster NS (siden 2004) og Eurokode 8 (siden 2010) aktualiserer betydningen av jordskjelvdimensjonering for store deler av byggebransjen. Alle som er interesserte i jordskjelv, enten det er ut fra ens interesse for seismologi, konstruksjonsdynamikk, jordskjelvgeoteknikk og fundamenteringsløsninger eller effekt av jordskjelv på samfunnet, er velkommen som medlem. Hjemmeside: eller i bygg og anleggs faggruppe i TEKNAs hjemmeside.

3 Eurokode 8 (NS-EN 1998:2004+NA:2008) Eurokode 8: Seismisk dimensjonering av konstruksjoner Eurokode 8, part 1: Generelle regler (EC8-1) Eurokode 8, part 5: Geotekniske aspekter av seismisk design (EC8-5) Del 1 & 5 skal betraktes som en samlet standard, og i seismisk dimensjonering av all konstruksjoner må kravene oppgitt begge delene tilfredsstilles Kobe, Japan

4 Eurokode 8 del 5 Krav om jordskjelv geoteknisk dimensjonering Kravene presentert i EK8-5 kan oppsummeres: Sikkerhet for skråningsstabilitet under seismiske påvirkninger (EK8-5, 4.1.3) Verifikasjon av glidningsmotstand og dynamisk bæreevne for grunnefundamenter (EK8-5, 5.3.2, & appendiks F) Påvisning og dimensjonering av peler for seismiske påvirkninger (EK8-5, 5.4.2) Seismisk jord konstruksjonssamvirke (SSI) (EK8-5, 6, appendiks D) Seismisk dimensjonering av støttekonstruksjoner (EK8-5, 7, appendiks E)

5 Jordskjelv geoteknikk Definisjoner Fundamentets kapasitet for opptak av Seismiske laster (dynamisk bæreevne) Seismisk jord konstruksjonssamvirke 1. Kinematisk samvirke (Effekt av fundament på seismiske rystelser -FIM) 2. Treghetssamvirke (Dynamisk stivheter av fundamenter) Design seismisk bevegelser (Design responsspektrum (fri-felt)) Effekt av seismiske bølger på jord (Liquefaction / Degradering av fasthet) Effekt av jord på seismiske bølger (Forsterkningsfaktor) Forplantning av seismisk bølger i berggrunn (Seismisk sone kart) Forkastning (kilde)

6 Seismisk jord - konstruksjonssamvirke (SSI) Eurokode 8 - krav Kapittel 6 i Eurokode 8 del 5, krever: : "The effects of dynamic soil-structure interaction shall be taken into account in the case of: Structures where P-δ effects play a significant role Structures with massive or deep seated foundations Slender tall structures Structures on very soft soils, v S < 100 m/s The effects of SSI on piles shall be assessed for all structures"

7 Seismisk jord - konstruksjon samvirke (SSI) Definisjon Definisjon av SSI: Under jordskjelrystelser, jorda deformerer seg pga forplantning av seismiske bølger i jord. Dette gjør at både fundamenter og konstruksjonen tvinges til å vibrere. Når konstruksjonen vibrerer, resulterer dette til treghetslaster pga konstruksjonens rystelser. De treghetslastene overføres igjen til jord via fundamentet. Derfor utvikles seismiske deformasjoner i jord - fundament grense forårsaket av rystelser av overliggende konstruksjonen. Dette medfører at en del av seismisk energi dempes i jordfundament grense eller forplantes vekk fra fundamentkonstruksjon systemet.

8 Seismisk jord - konstruksjon samvirke (SSI) Definisjon Definisjon av SSI: Både begrepsmessig & beregningsmessig er det riktig å betrakte SSI fenomenet som: i. Kinematisk samvirke ii. Treghets samvirke

9 Seismisk jord - konstruksjon samvirke (SSI) Definisjon Fri-felt bevegelser Foundation Input motion nematisk samvirke: fereres til effekten av innkommende seismiske bølger på fundament jordsystemet. ndamentets stivhet er mye større enn jordas stivhet, og konsekvensen derfor er at fundamenter vil vibrerer noe annerledes enn frifelt. rfor produseres kinematisk krefter på fundamenter som er av betydning spesielt for peler og støtte konstruksjoner.

10 Seismisk jord - konstruksjon samvirke (SSI) Definisjon Fri-felt bevegelser Foundation Input motion reghetssamvirke: refereres til responsen av komplett jord fundament konstruksjon system til seismiske eksitasjonen. Treghetssamvirke analyser utføres vanligvis i to steg:. Beregning av fundamentets dynamiske impedans funksjoner (fjærer & dempningskoeffisienter). Beregning av seismisk respons av konstruksjonen ved å inkludere fundamentstivheter.

11 Seismisk jord - konstruksjon samvirke (SSI) Impedans Funksjoner k θ Q h Q v M 6 x 6 matrise av komplekst impedans koeffisients: 3 translasjon koeffisienter 3 rotasjon koeffisienter Koblingsledd koeffisienter c θ c v k v c h K v = k v + ic v ω

12 Pele Fundamenter

13 Peler Seismiske påvirkninger p på p peler Snitt (1) i EC8-5, krever at peler og pilarer skal motstå to typer av seismiske påvirkninger: 1) Treghetskrefter fra konstruksjonens seismiske respons kombinert med statiske laster 2) Kinematiske krefter i peler som oppstår pga deformasjonen av jorda under forplantning av seismiske bølger, og det er avhengig av stivhetskontrast av pel og jord.

14 Peler Randbetingelser ved pelespiss og peletopp I beregning av både fjærstivhet av peler for samvirke analyser og kapasitet beregninger, er det meget viktig at betingelser ved pelespiss og peletopp defineres realistisk. Pelespiss betingelser: Friksjonspeler Spissbærende peler Peletopp betingelser: Fri Innspent Leddet Elastisk restrained

15 Peler Randbetingelser ved pelespiss og peletopp Oppførsel av horisontal belastede peler kontrolleres også av pelenes lengde. En viktig indeks er effektiv lengde av pelen, som klassifiserer pelene: Korte peler Pelens oppførsel kontrolleres i hovedsak av pelelengde, peletoppbetingelse og jordas motstandkapasitet. Lange peler Pelens oppførsel og kapasitet kontrolleres av peletopp betingelse og pelens tverrsnittskapasitet. Pelens lengde har ingen effekt på horisontalkapasiteten.

16 Lateralkapasitet av peler Det er viktig å presisere her at vurdering av pelens oppførsel under seismisk tilstand er svært komplisert problemstilling. Metodikken som blir presentert her betegnes som Pseudo-statisk metode. Det betyr at seismiske laster på peler modelleres som konstante statiske laster. På den måte kan tradisjonelle programvarer for jord-pel samvirke analyse benyttes.

17 Lateralkapasitet av peler Lateralkapasitet av peler bestemmes ved: 1. Utvikling av plastisk ledd i pel (moment kapasitet av peletverrsnitt) 2. Store uakseptable horisontale forskyvninger/deformasjoner som går utover funksjonaliteten av konstruksjonen (serviceability)

18 Forenklet metode for lateral kapasitet av enkelte peler i kohesiv jord (Budhu & Davies 1988) Forenklet metode for beregning av maksimum lateral kapasitet av enkelte peler i kohesiv jord (Budhu & Davies 1988): For fri peletoppbetingelse: hvor f = e/d, e = M/H, og My er momentkapasitet av pel. Dybde der maks moment oppstår: For innspent peletoppbetingelse: c u er jordas udrenert skjærfasthet, D er diameter av pel, M er moment, and H er horisontallast ved pelehode.

19 Forenklet metode for lateralkapasitet av enkelte peler i friksjonsmasser (Budhu & Davies 1988) Forenklet metode for beregning av maksimum lateralkapasitet av enkelte peler i friksjonsmasser (Budhu & Davies 1988): For fri peletoppbetingelse : hvor f = e/d, e = M/H, og My er moment kapasiteten av pel, Kp er passivjordtrykk koeffisient. Dybde der maks moment oppstår : For innspent peletoppbetingelse:

20 Forenklet metode for lateralkapasitet av enkelte peler Forenklede metoder er basert på elastisk jordoppførsel, og oppgir dermed større lateralkapasitet, og det må benyttes med stor forsiktighet. Det er anbefalt å benyttes en redusert momentkapasitet i beregningene. I tilfelle når jorda viser stor ikke-linear oppførsel (dvs. bløt leire og løssand) gir løsningen større avvik fra samvirke jord-pel beregninger. I så fall er dette en metode som kan benyttes i tidlig prosjekteringsfase for å få et bilde av pelenes lateralkapasitet i jord. Dette kan ikke erstatte jord-pel samvirke beregninger.

21 Lateralkapasitet av peler Jord-pel samvirke beregning Klassisk samvirke jord-pel beregning av horisontal belastede peler tas utgangspunkt i å modellere jordas ikke-linear oppførsel i lateralretning ved hjelp av P-y kurver. Det er oppgitt ulike formler for beregning av P-y kurver for ulike material, og under ulike belastningstyper. Figur (a) viser generelt form av P-y kurver for bløt leire under statisk belastning, Figur (b) viser generelt form av P-y kurve for syklisk belastning.

22 Lateralkapasitet av peler Jord-pel samvirke beregning Figur (3-2) viser eksempel P-y kurver for bløt leire under statisk belastning. Figur (3-3) viser eksempel P-y kurve for syklisk belastning (Reese 1975).

23 Lateralkapasitet av peler i seismisk tilstand Dynamisk P-y P y kurver Jorda viser en stivere oppførsel under kortvarig seismisk belastning. Denne effekten er mer synlig for kohesjon jordarter (leire). Figur (7) viser eksempel av statisk og dynamisk P-y kurver for leire. Figur (8) viser tilsvarende eksempel for sand.

24 Seismisk dimenjonering av peler Liquefaction I dimensjonering av peler må man være ekstra nøye dersom det er noen lag med potensial fare for liquefaction. Liquefaction er en betegnelse for å beskrive reduksjon i skjærfasthet og/eller jordstivhet forårsaket av oppbygging av poretrykk i mettede løse friksjonsmasser under jordskjelvpåvirkning som medføre store permanente deformasjoner. Hvis det brukes peler som tiltak, må man være ekstra nøye med design av peler ved å ta hensyn til redusert støtte fra jord i lagene som kan bli utsatt for liquefaction. Dato: Side: 24

25 Liquefaction Definisjon Dato: Side: 25

26 Lateralkapasitet av peler i seismisk tilstand Dynamisk P-y P y kurver for sand ved liquefaction Eksempel av P-y kurve for sand ved liquefaction.

27 Pile foundation Generelt prosedyre for seismisk dimensjonering av peler Seismisk dimensjonering av konstruksjoner krever en effektiv samarbeid mellom RIB og RIG for å oppnå en økonomisk og teknisk sett korrekt dimensjonering. Følgende fremgangsmåte anbefales (Pseudo-statisk metode): 1. RIB utfører en dynamisk analyse av bygg, antatt innspent opplager betingelse ved alle pelepunkter, der kan seismiske laster som vil påvirke peler regnes ut.

28 Pile foundation Generelt prosedyre for seismisk dimensjonering av peler Seismisk dimensjonering av konstruksjoner krever en effektiv samarbeid mellom RIB og RIG for å oppnå en økonomisk og teknisk sett korrekt dimensjonering. Følgende fremgangsmåte anbefales (Pseudo-statisk metode): 1. RIB utfører en dynamisk analyse av bygg, antatt innspent opplager betingelse ved alle pelepunkter, der kan seismiske laster som vil påvirke peler regnes ut. 2. Basert på opptredende seismiske laster og vertikale statiske laster kan foreløpige peledimensjoner bestemmes (det kan benyttes forenklede beregningsmetoder for lateralkapasitet av peler i den sammenheng). 3. RIG defineres initiale dynamiske stivheter for peler i samvirke med jord. 4. RIB utfører dynamisk analyse av konstruksjoner ved å inkludere pelestivheter, og endelige seismiske laster beregnes for hver pel/pelegruppe.

29 Konstruksjonsmodell Fjæret opplager betingelse

30 Pile foundation Generelt prosedyre for seismisk dimensjonering av peler Seismisk dimensjonering av konstruksjoner krever en effektiv samarbeid mellom RIB og RIG for å oppnå en økonomisk og teknisk sett korrekt dimensjonering. Følgende fremgangsmåte anbefales (Pseudo-statisk metode): 1. RIB utfører en dynamisk analyse av bygg, antatt innspent opplager betingelse ved alle pelepunkter, der kan seismiske laster som vil påvirke peler regnes ut. 2. Basert på opptredende seismiske laster og vertikale statiske laster kan peledimensjoner estimeres etter forenklede beregningsmetoder for horisontal kapasitet av peler. 3. RIG defineres initiale dynamiske stivheter for peler i samvirke med jord. 4. RIB utfører dynamisk analyse av konstruksjoner ved å inkludere pelestivheter, og endelige seismiske laster beregnes for hver pel. 5. RIG påviser kapasiteten av peler for opptredende seismiske laster, og endelige justeringer utføres.

31 Tine Meieriet Dimensjonering av RD-peler for seismiske påvirkningerp

32 Tine Meieriet Kort om prosjektet Tine meieriet øst utvider sin anlegg på Kaldbakken i Oslo (utbygging / ombygging). Finseth AS er konstruksjon rådgiver. Multiconsult as bisto prosjektet med både geoteknisk og jordskjelv geoteknisk rådgivning. Beregning av seismiske påvirkninger er utført etter NS

33 Tine Meieriet Grunnforhold Grunnen består av: 1. Topplag av fyllmaser og tørrskorpeleire med tykkelse på 4 til 8 m. 2. Under dette er siltig leire lag med varierende mektighet. 3. Nærmest fjell er det registrert et lag av sand / morenemasser. Grunnvann ligger mellom 1,5 til 2,5 m under terreng. Fjell er påvist mellom 14 og 36 m under terreng.

34 Tine Meieriet Gjennomsnittlig skjærb rbølge hastighet (V S,30 S,30 ) Jordas dynamiske egenskaper ble tolket etter erfaringskorrelasjoner (Seed 1984, Larsson 1991). Design jordprofil for bestemmelse av grunntype er basert på resultatene fra totalsonderingene og prøveserie PRv/96G. Vs (m/s) Dybde (m)

35 Tine Meieriet Grunntype og grunnforsterkningsfaktor Grunnen er klassifisert som grunntype C (V S,30 = 175 m/s) med k S = 2,25 etter NS Etter Eurokode 8 klassifiseres grunnen som grunntype D med S = 1,6.

36 Tine Meieriet Dimensjonerende responsspektrum 2.00 Dimensjonerende responsspektrum Type C (NS ) Sd (m/s2) Periode (s)

37 Tine Meieriet Dimensjonerende responsspektrum For sammenligning er det presentert dimensjonerende responsspektre etter både NS og Eurokode 8. Dimensjonerende responsspektrum 2.00 Dette viser at dersom byggets hovedsvingeperiode er lavere enn 0,45 sek Eurokode 8 gir lavere seismiske laster. Sd (m/s2) Type C (NS ) Type D (EK8) Periode (s)

38 Tine Meieriet Sammenligning NS og EK8 Konstruksjonens svingeperiode beregnet på T = 0,2 sek Dimensjonerende responsspektrum Etter NS : S d (T=0,2) = 1,73 m/s 2 Etter EK8 : S d (T=0,2) = 1,17 m/s 2 Sd (m/s2) Type C Type D Sd (NS) Sd (EK) Periode (s) Sd = 1,73 m/s 2 = 1,73/9,81 = 0,176 g Det betyr at 17,6 % av konstruksjonens vekt påføres som horisontallast (F = m. a). Dette viser at i dette tilfelle gir NS ca. 48% høyere last enn Eurokode.

39 Tine Meieriet Type RD-peler Det er benyttet 6 ulike type RD-peler både som enkelte peler og peler i gruppe. Peleegenskaper er tatt ut fra RUUKKI sine tabeller.

40 Tine Meieriet Type RD-peler Det er benyttet 6 ulike type RD-peler både som enkelte peler og peler i gruppe. Peleegenskaper er tatt ut fra RUUKKI sine tabeller.

41 Tine Meieriet Beregning av dynamisk stivheter for RD-peler Generelt form av stivhetsmatrise for peler: Kxx, Kyy og Kzz er translasjonstivheter i x, y og z (vertikal) retning. Krx, Kry er rocking stivheter om x og y akse, mens Krz er torsjonal stivhet. Kxp og Kyp er koblingsleddene i matrise. Dynamisk stivhetene er frekvensavhengige, men i de periodene som konstruksjonen vibrerer har lite variasjon sik at det kan betraktes konstant.

42 Tine Meieriet Beregning av dynamisk stivheter for RD-peler Dynamisk stivheter av RD-peler er beregnet basert på Novak modifisert metode (Boundary element metode).

43 Tine Meieriet Horisontal kapasitet av RD-peler i seismisk tilstand Moment kapasitet av pelens tverrsnitt vil styre horisontal kapasiteten. Forenklet er momentkapasiteten av pelen avhengig av vertikallasten etter: f s;d = N i /A + M ult /w N i : Installert kapasitet M ult : Moment kapasitet A : Pelens tverrsnitt areal w : motstand moment f s;d : dimensjonerende flytspenning av pelematerial Derfor er det viktig å redusere tillatt vertikallast på peler for å øke momentkapasiteten som tilsvarer økt horisontalkapasitet.

44 Tine Meieriet Horisontal kapasitet av RD-peler i seismisk tilstand Det ble benyttet programmet GeoSuite-Piles for påvisning av horisontalkapasiteten av RD-peler, med følgende begrensninger: 1. Peletopp betingelser: Dersom det er en pel antar programmet en fri-pelehodet, Dersom det er pelegrupper forutsetter programmet innspent peletopp betingelse. Programmet kan ikke modellere leddet og elastisk restrained betingelser. Det er vanskelig å modellere innspent betingelse for enkelte peler. 2. Pelespiss betingelse: Det finnes ikke egen jordmodell for å modellere fjell og innspenning i fjell. 3. P-Y kurver: De er kun etter API (offshore). Det er mulig å sette inn egendefinert P-Y kurver, men det blir tidskrevende arbeid. P-Y kurver degraderes for sykliske laster. Det krever manuelt justering for å tvinge programmet å unngå degradering. 4. Kombinert tverrsnitt: Det er ikke mulig å benytte kombinert stål-betong tverrsnitt (Stålrørspeler, RD peler innstøpt med betong) Det kan kun modellere sirkulær tverrsnitt. 5. Lange slanke peler: Programmet får ikke modeller lange slanke peler pga element inndeling som er avhengig av forholdet L/D.

45 Tine Meieriet Horisontal kapasitet av RD-peler i seismisk tilstand Momentkapasitet og horisontalkapasitet av RD-peler beregnet ved GeoSuite-Piles (det er antatt at pelene er belastet med installert kapasitet (fa = 0,9). Det viste seg at horisontallast påført til peler i seismisk tilstand er større en pelenes kapasitet av opptak av seismiske laster for mange av peler. Type pel Utstøping F ver (fa = 0.90) M ult H ult (GeoSuite Piles) (kn) (knm) (kn) RD170/ RD170/12, RD220/12, RD320/12, RD320/12,5 B RD320/12,5+RD220/10 B

46 Tine Meieriet Horisontal kapasitet av RD-peler i seismisk tilstand Momentkapasitet og horisontalkapasitet av RD-peler beregnet ved GeoSuite-Piles (det er antatt at pelene er belastet med installert kapasitet (fa = 0,9). Det viste seg at horisontallast påført til peler i seismisk tilstand er større en pelenes kapasitet av opptak av seismiske laster for mange av peler. Det ble satt krav på at tillatt vertikallast på pelene skal være 75 % av installert kapasitet. Dette medførte økt momentkapasitet og tilfredsstillende kapasitet for opptak av seismiske treghetslaster. Type pel Utstøping F ver (fa = 0.90) M ult H ult (GeoSuite Piles) F ver (Rd = 0.75) M ult H ult (GeoSuite Piles) (kn) (knm) (kn) (kn) (knm) (kn) RD170/ RD170/12, RD220/12, RD320/12, RD320/12,5 B RD320/12,5+RD220/10 B

47 Tine Meieriet Horisontal kapasitet av RD-peler i seismisk tilstand I forbindelse med Stålpeldag er det utført et mer rigorous beregning av horisontalkapasitet av RD-peler i seismisk tilstand. Pelene ble modellert med innspent peletopp betingelse, og spissbæring på fjell. Peletverrsnitt er også modellert realistisk. Eurokode 8-5 tillater utvikling av plastisk ledd ved peletopp i visse tilfeller. Da styres lateralkapasiteten av akseptabel forskyvning (serviceability), og momentkapasitet langs pelen. Horisontal kapasitet er beregnet i to tilfelle: 1. Basert på utvikling av plastisk ledd ved peletopp 2. Basert på utvikling av plastisk ledd langs pelen.

48 Tine Meieriet Horisontal kapasitet av RD-peler i seismisk tilstand Resultater viser at horisontalkapasiteten beregnet i GeoSuite-Piles tilsvarer til rigorous beregning for tilfelle 1 (utvikling av plastisk ledd ved peletopp) spesielt for peletverrsnitt uten samvirke stålbetong.

49 CHALENGES! Takk for oppmerksomheten