Pelefundamentering - dimensjoneringsmetoder og utførelse belyst med praktiske eksempler Pelegrupper Einar John Lande avdeling for landfundamentering
Innhold 1. Generelt om pelegrupper 2. Geosuite Peler (SPLICE) 3. Inndata peleberegning GS Peler 4. Pelegruppeberegninger 1. Interaksjon konstruksjon pelefundament 2. Sikkerhetsfilosofi 3. Randbetingelser/forutsetninger i modellen 5. Beregningseksempler
1. Generelt om pelegrupper Peleveiledningen 2012, kapittel 11 beskriver mange viktige forhold ved pelegrupper og pelegruppeberegninger. Det finnes også mye bra materiale fra NGF pelekurs i 2006, hvor presentasjon 11 og 12 omhandler pelegrupper. I tillegg er det holdt flere gode presentasjoner om pelegruppeberegning på Geosuite brukermøter.
1. Generelt om pelegrupper Mest benyttet som brufundamenter Stor variasjon i utforming og kompleksitet Tverrfaglig prosjektering geoteknikk byggeteknikk Prosjektering og beregning utføres ofte med spesielle peleberegningsprogram, i Norge hovedsakelig med Geosuite Peler.
2. Geosuite Peler (SPLICE) o Program for 3D analyser av interaksjon mellom konstruksjon, peler og ikke-lineær jord for statiske laster. o Beregner krefter, momenter og forskyvninger i hver pel over hele pelelengden. o Beregner stivhetsmatrise (6x6) for pelegruppen «Hjelp»-funksjon med kortfattet brukerveiledning og forklaring av alle inndata i programmet. Også link til komplett beskrivelse av SPLICE
2. Geosuite Peler (SPLICE) SPLICE består av 3 programmer: GENSOD: Basert på inndata for jord genereres ikke-lineære last-forskyvningskurver horisontalt og vertikalt (P-y, T-z, Q-z kurver). Resultatfil leses av SPLICE i analyse av pelegruppen. PILGEN: Leser data om pelenes geometri og stivhet som leses av SPLICE i analyse av pelegruppen. SPLICE: Selve beregningsprogram hvor laster legges inn og som benytter data fra GENSOD og PILGEN.
2. Geosuite Peler (SPLICE) - Elastisk bjelke delt i elementer - Noder med 6 frihetsgrader - Winkler fjærer - Gruppeeffekt
2. GS Peler uendelige muligheter? 3 dimensjonal pelegeometri. Automatisk beregning av gruppeeffekt (pel-jord-pel interaksjon). Beregning av 2-ordens momenter i pelene. Inkrementell belastning hvis ønskelig. Effekter av deformasjon i jord med hensyn til deformasjon og spenninger i pelene. Definere flere ulike jordprofiler i samme beregning. Peler kan modelleres som sirkulære eller kvadratiske, kompositt peletverrsnitt, samt i segmenter med ulik peletverrsnitt. 6x6 stivhetsmatriser for pelegruppe som grunnlag for strukturanalyse. Presentasjon av beregningsresultater som pelekrefter (momenter, aksial- og skjærkraft, spenning) og deformasjoner (aksialt, lateralt, rotasjon).
2. GS Peler ingen begrensninger? Kun statiske laster kan beregnes. Maks antall peler er 64, peletverrsnitt 40, ulike pelediameter 15 og antall elementer per pel er 200. Antall jordlag er begrenset til 98. Lange og slanke peler numerisk problem og ingen løsning. Beregning av gruppeeffekt for lav E-modul gir konvergensproblemer. GS Peler antar rett pel, og tar ikke hensyn til utbøying (krumning) ved installasjon. Eventuelle jordtrykk og/eller økt sidestøtte mot pelefundament må beregnes manuelt og legges inn som last eller fjærer. Påhengslast på peler må beregnes selv og legges til ved dimensjonering. Kontroll mot knekking av peler må utføres selv.
3. Inndata GS Peler Inndata gis i 4 vindu som omfatter: Jorddata (2 jordmodeller, API og NTNU) Peledata Laster Control data
Jordmodeller og valg av design jordparametere To jordmodeller: API modellen utarbeidet av American Petroleum Institute for bruk ved design av offshore peleinstallasjoner. Basert på feltforsøk med instrumenterte peler i bløt og stiv leire, samt sand. Beskrivelse av modellen i API rapport RP 2A-LRFD: Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms Load and Resistance Factor Design NTNU modell utarbeidet på 80 tallet for bruk i peleberegningsprogram GROUP. NGI har mest erfaring med API modellen og SPLICE gjennom design av offshoreinstallasjoner og pelegrupper i samferdselsprosjekter
API modell - parametere Benevnelse GS Peler Enhet Forklaring Soil weight kn/m 3 Romvekt, γ s u kn/m 2 Udrenert skjærfasthet fra enaksiale trykkforsøk. Hvis verdi = 0 i topp og bunn av lag, antas laget å være sand Phi Friksjonsvinkel, φ. Hvis udrenert skjærfasthet skal brukes må φ = 0. For sand lag (s u = 0), minst en av parameterne CPT, phi og Dr må spesifiseres. Verdi av φ = 0 vil bli erstattet med default-verdi epsc - Tøyning ved 50% av maks skjærspenning i "UU" forsøk (unconfined, undrained triaxial test). 2 % tøyning gis som 0,02. Typiske verdier mellom 0,005 og 0,020. J e - API J-parameter. Faktor som bestemmer til hvilken dybde og grad reduksjon i lateral jordmotstand skal beregnes i situasjon med udrenert jord (vanlig verdi mellom 0,25-0,8). f_comp kn/m 2 Maksimal sidefriksjon langs pel i trykk (beregnes av bruker) f_tens kn/m 2 Maksimal sidefriksjon langs pel i strekk (beregnes av bruker) t res /t max - Forhold mellom residual sidefriksjon langs pel og maksimal verdi for sidefriksjon f_comp og f_tens (vanlig verdi mellom 0,7-0,9 for leire) tz res m Deformasjon mellom maks sidefriksjon (f_comp) og residual friksjon (t res ) langs pel. q tip kn/m 2 Maksimal bæreevne ved pelespiss (virker kun på pelematerialets areal) z tip /D - Forhold mellom pelespissens deformasjon ved maks bæreevne (q tip ) og pelediameter CPT MPa Spissmotstand ved trykksondering (CPT) Dr - Sand, relativ densitet (0,0-1,0) Ip % Plastisitetsindeks leire
API modell viktige forhold Jordas laterale kapasitet og oppførsel styres av lastforskyvningskurver, kalt p-y kurver. S u, J e -faktor og epsc er av stor betydning for generering av p-y kurvene for det aktuelle leirlaget. Modellen skiller mellom "bløt" og "fast" leire ved en udrenert skjærfasthet, s u = 100 kpa. Grunnlaget for generering av p-y kurvene er basert på skjærfasthet og tøyninger fra enaksiale trykkforsøk på uforstyrrede prøver. Dersom man har resultater fra triaksialforsøk (CAU forsøk) må man være klar over at det kan gi andre tøyningsverdier (epsc) enn hva modellen egentlig er basert på. For å mobilisere full spissbæring er det nødvendig med opptil 10 % deformasjon av pelespiss i forhold til pelens diameter. For å mobilisere full sidefriksjon langs pel må vertikal deformasjon være ca. 1 % av pelediameter.
API modell P-y kurver P-y kurve for korttids statisk last i bløt leire er gitt av følgende forhold: P/Pu Y/Yc 0 0 der: 0,5 1 P = reell lateral jordmotstand (kpa) 0,72 3 Pu = maksimal lateral jordmotstand (kpa) Y = reell lateral deformasjon (m) 1 8 Yc = 2,5 εc D (m) 1 10 εc = tøyning ved 50% av maks skjærspenning i "UU" forsøk (unconfined, 1 20 undrained triaxial test)
API modell P-y kurver 3xSu 9xSu Pmax Dybde (m)
API modell Q-z kurver
API modell T-z kurver
NTNU modell - parametere Benevnelse Navn i NTNU Enhet Forklaring GS Peler manual Su s u kn/m 2 Udrenert skjærfasthet phi f Friksjonsvinkel attr a kn/m 2 Attraksjon rc r c - Pel/jord ruhetsforhold b0 b 0 - Sigma2 spenningsforhold i jord inntil pel før belastning kinit K i - Hviletrykkskoeffisient i jord før belastning (initiell) sigveff s v kpa Vertikal effektivspenning gi g i - Skjærmodul ved start belastning kf k - Skjærmobiliseringsfaktor kf, større enn 0 og mindre enn eller lik 1 D D - Dilatans parameter b B - Sigma2 spenningsforhold i jord inntil pel ved brudd i jord, typisk 0,3 beta b - Skjærmobiliserings eksponent, typisk 2,0 pe - Mobiliseringseksponent, typisk 1,0 kd k D - Dilatansfaktor for OC leire, varierer mellom 1,0-1,5, typisk 1,0 rm0 m 0 - Janbus modultall (bestemt fra ødometer) sigmaa s a kpa Referanse lufttrykk, lik 100 kpa. n n - Janbus spenningseksponent f0 f 0 - Mobiliseringsgrad i ødometer, typisk 0,65 tipdis h - Deformasjonsfaktor, forhold mellom deformasjon ved brudd og pelediameter, typisk 0,04-0,06
NTNU modell - standardparametere Enkelte parametere lik for alle jordarter Ved manglende data fra lab, viktig å kontrollere med sensitivitetskontroll Hvilke parametere som er avgjørende for kapasitet henholdsvis for vertikal-, horisontal- og spiss er beskrevet i GROUP/PSI manual
Peledata GS Peler Pelemateriale (stål eller betong) Peletverrsnitt (sirkulær eller kvadratisk) Pelespiss, (free, fixed, infinitely axial stiffness eller infinitely secant stiffness) Peletoppens plassering i xyz koordinater Vertikal eller skråpel (helning n:1) Peleretning i horisontalplanet (0-360 ) Pelelengde (m) Lokal og/eller global erosjon (scour) rundt pelene (aktuelt ved fundamenter i sjø/elv) P-y, T-z og Q-z faktor (normalt 1,0) Peletverrsnitt (sammensatt, solid/hult tverrsnitt osv) Jordprofil for aktuell pel
Peler - tverrsnittsdata GS Peler gir mulighet for å legge inn peler med sammensatt tverrsnitt, og regner automatisk ut aksial- og bøyestivhet (EA,EI).
Inndata laster Laster/lastkombinasjoner legges inn av bruker: - Horisontale krefter Fx/FY - Vertikale krefter Fz (Nedover har negativt fortegn) - Momenter om XYZ akse Mulighet for å legge til krefter og/eller fjærer i enkeltpeler i ulike dybder, samt forskyvninger i pel eller jord. Eventuelle krefter fra jordtrykk må vurderes spesielt og legges til ved behov. Sidestøtte rundt fundamenter kan gi økt stivhet. Eventuell påhengslast på pelene må vurderes separat og legges til ved kontroll av pelekapasitet.
Inndata - laster
Control data
Control data
Control data
4. Pelegruppeberegninger samvirke konstruksjon - pelefundament Størrelse og fordeling av laster i pelefundament og konstruksjon er svært avhengig av relativ stivhet av konstruksjon, fundamenter, peler og jord. Nødvendig å ta hensyn til pelefundamentets stivhet i strukturanalyse. Oppgis som regel en stivhetsmatrise for koblingspunkt mellom pelefundament og konstruksjon. I GS beregnes en 6x6 matrise. Optimalisere design ved flere iterasjoner
4. Pelegruppeberegninger samvirke konstruksjon - pelefundament 1: Innledende pelegruppeberegning med enhetslaster (?) Stivhetsmatrise Ikke samsvar: Ny runde (2-4) 2: Innledende strukturanalyse: Fast innspenning eller stivhetsmatrise fra 1 settes inn i UK fundament ITERASJON Samsvar: OK! 3: Pelegruppeberegning med laster fra strukturanalyse 4: Sammenligne beregnede forskyvninger i pelefundament fra strukturanalyse og pelegruppeanalyse
4. Pelegruppeberegninger samvirke konstruksjon - pelefundament
4. Pelegruppeberegning - sikkerhetsfilosofi Karakteristiske jordparametere ved pelegruppeberegning Partialfaktor γ m = 1,0 for bruks- og ulykkestilstand. Hva med bruddgrense? 1. Bruddgrenselaster fra systemanalyse (γ f >1,0), og partialfaktor γ m > 1,0 på jordens styrkeparametere. 2. Bruksgrenselaster fra systemanalyse (γ f =1,0), og partialfaktor γ m = 1,0 på jordens styrkeparametere. Dimensjonerende snittkrefter i pelene bestemmes ved å multiplisere med ekvivalent partialfaktor γ f >1,0
4. Pelegruppeberegning Randbetingelser/forutsetninger i beregningsmodell Har betydning for resulterende krefter/momenter og deformasjoner i peler. Viktig å være klar over konsekvens av valg som tas i forhold til dimensjonering for kritisk situasjon Noen viktige forhold: Innspenning i peletopp Innspenning ved pelespiss Pelekonfigurasjon og pelelengder
5. Beregningseksempel Bru til nytt terminalbygg BAMA
5. Beregningseksempel Bru til nytt terminalbygg BAMA Prosjekteringsvalg/forutsetninger: Benyttet NTNU jordmodell med karakteristiske styrke- og stivhetsparametere for jord (iht. PV 2012, kap. 11.11). Pelestivhet (EA og EI) beregnet med foringsrør, mørtel og stålkjerne. Peler modellert med fast innspenning i topp (konservativ vurdering for aktuell innstøpingslengde) Pelespissene er modellert som "fixed", dvs fast innspent i berg. Minimum peleavstand iht. anbefaling i PV 2012, kap. 11.3.2. NB! IKKE tilstrekkelig for å unngå gruppeeffekt. Men! Gruppeeffekt kontrollert og vurdert som neglisjerbar. Vurdering av grunnforhold og konstruksjon ga ikke behov for seismisk dimensjonering iht. NS-EN 1998-1:2004.
5. Beregningseksempel Bru til nytt terminalbygg BAMA Resultater Betydning av jordmodell og parametere: Maks aksialkraft Maks moment NTNU jordmodell N V M Merknad [kn] [kn] [knm] -1410 33 74 (1) -1400 34 78 (2) -1360 41 87 (1) + (3) -1120 37 79 (1) -1090 38 82 (2) -1010 42 87 (1) + (3) Enhet Maks vertikal -5,08 [mm] (1) def. -5,06 [mm] (2) Min. vertical def. -0,55 [mm] (1) -0,428 [mm] (2) Horisontal def. 8,68 [mm] (1) 9,07 [mm] (2) Rotasjon 0,0016 [rad] (1) 0,00167 [rad] (2)
5. Beregningseksempel Bru til nytt terminalbygg BAMA Resultater Betydning av jordmodell og parametere: Forskjell i beregnede pelekrefter og forskyvninger med ulike jordmodeller tilnærmet ubetydelig i dette tilfellet. Maks moment noe større ved bruk av partialfaktor γ > 1,0 Maks aksialkraft noe større ved bruk av partialfaktor γ = 1,0 Beregnede krefter og momenter en del større (ca. 10 %) uten hensyn til gruppeeffekt, men mindre forskyvninger
5. Beregningseksempel Bru til nytt terminalbygg BAMA Dimensjonering peler: Ved kontroll av pelenes tverrsnittskapasitet er det kun regnet med stålkjernen. f a -faktor valgt lik 0,9 og ekvivalent partialfaktor, γ F lik 1,2 ved kapasitetskontroll av peler. Påhengslast på peler valgt å se bort fra ved kapasitetskontroll av stålkjerne (tas opp av foringsrør). Kontrollert mot knekking M-N kontroll dimensjonerende
5. Beregningseksempel Bru til nytt terminalbygg BAMA Betydning av innspenning peletopp?
5. Beregningseksempel Bru til nytt terminalbygg BAMA Betydning av innspenning peletopp - momentforløp Fast innspent Leddet
5. Beregningseksempel Bru til nytt terminalbygg BAMA Betydning av innspenning peletopp - horisontalforskyvning Fast innspent Leddet
5. Beregningseksempler Bru fundamentert på rammede stålrørspeler Betydning av innspenning pelespiss: Friksjonspel fri Til berg stiv fjær
5. Beregningseksempler Bru fundamentert på rammede stålrørspeler Betydning av innspenning pelespiss: Friksjonspel fri Til berg stiv fjær
Kort oppsummering 1. Godt samarbeid RIB og RIG viktig for å oppnå teknisk og kostnadsoptimal løsning 2. Avklar prosjekteringsforutsetninger tidlig: krav til maks deformasjoner i konstruksjon (bruksgrense) Opptak av horisontalkrefter utnytt jordas sidestøtte Randbetingelser i beregningsmodell 3. Robust løsning - ta høyde for eventuelle uforutsette endringer under utførelse 4. Sensitivitetsanalyse mht jordparametere bør utføres for å bestemme dimensjonerende situasjon
Takk for oppmerksomheten! Takk for nyttige innspill: Vegard Woldsengen Geovita Kjell Karlsrud NGI Per Magne Aas - NGI