1. No category

MULTICONSULT
Totalleverandør av rådgivningstjenester
kompetent - kreativ - komplett
Stålpeldag 2011
Tine meieriet
Seismisk dimensjonering av peler
etter Eurokode 8
Farzin Shahrokhi
Multiconsult as
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 NS3491-12 (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: www.NJTF.no eller i bygg og anleggs faggruppe i TEKNAs hjemmeside.
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
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, 5.4.1 & 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)
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)
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, vS < 100 m/s
⇒
The effects of SSI on piles shall be assessed for
all structures"
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.
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
Seismisk jord - konstruksjon samvirke (SSI)
Definisjon
Fri-felt
bevegelser
inematisk samvirke:
efereres til effekten av innkommende seismiske bølger på
fundament – jordsystemet.
undamentets stivhet er mye større enn jordas stivhet, og
konsekvensen derfor er at fundamenter vil vibrerer noe
annerledes enn frifelt.
erfor produseres kinematisk krefter på fundamenter som er
av betydning spesielt for peler og støtte konstruksjoner.
Foundation Input
motion
Seismisk jord - konstruksjon samvirke (SSI)
Definisjon
Fri-felt
bevegelser
Treghetssamvirke:
refereres til responsen av komplett jord–fundament–
konstruksjon system til seismiske eksitasjonen.
Treghetssamvirke analyser utføres vanligvis i to steg:
1.
Beregning av fundamentets dynamiske impedans
funksjoner (fjærer & dempningskoeffisienter)
2.
Beregning av seismisk respons av konstruksjonen ved
å inkludere fundamentstivheter.
Foundation Input
motion
Seismisk jord - konstruksjon samvirke (SSI)
Impedans Funksjoner
6 x 6 matrise av komplekst impedans
koeffisients:
Qv
kθ
M
Q
3 translasjon koeffisienter
3 rotasjon koeffisienter
h
Koblingsledd koeffisienter
cθ
cv
kv
ch
Kv = kv + icv ω
Pele Fundamenter
Peler
Seismiske påvirkninger på peler
Snitt 5.4.2.(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.
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”
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.
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.
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)
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:
cu er jordas udrenert skjærfasthet, D er diameter av pel, M er moment, and H er
horisontallast ved pelehode.
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:
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.
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.
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).
Lateralkapasitet av peler i seismisk tilstand
Dynamisk 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.
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
Liquefaction
Definisjon
Dato:
Side: 25
Lateralkapasitet av peler i seismisk tilstand
Dynamisk P-y kurver for sand ved liquefaction
Eksempel av P-y kurve for sand ved liquefaction.
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.
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.
Konstruksjonsmodell
Fjæret opplager betingelse
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.
Tine Meieriet
Dimensjonering av RD-peler for
seismiske påvirkninger
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 NS3491-12.
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.
Tine Meieriet
Gjennomsnittlig skjærbølge hastighet (VS,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)
0
0.0
5.0
Dybde (m)
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
50
100
150
200
250
300
350
400
Tine Meieriet
Grunntype og grunnforsterkningsfaktor
•
Grunnen er klassifisert som grunntype C
(VS,30 = 175 m/s) med kS = 2,25 etter
NS3491-12.
•
Etter Eurokode 8 klassifiseres grunnen som
grunntype D med S = 1,6.
Tine Meieriet
Dimensjonerende responsspektrum
Dimensjonerende responsspektrum
2.00
1.80
1.60
Type C (NS3491‐12)
Sd (m/s2)
1.40
1.20
1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
0
0.5
1
1.5
2
Periode (s)
2.5
3
3.5
4
Tine Meieriet
Dimensjonerende responsspektrum
For sammenligning er det presentert dimensjonerende responsspektre etter både NS3491-12 og
Eurokode 8.
Dimensjonerende responsspektrum
2.00
1.80
Type C (NS3491‐12)
1.60
Type D (EK8)
1.40
Sd (m/s2)
Dette viser at dersom byggets hovedsvingeperiode er lavere enn 0,45 sek
Eurokode 8 gir lavere seismiske laster.
1.20
1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
0
0.5
1
1.5
2
Periode (s)
2.5
3
3.5
4
Tine Meieriet
Sammenligning NS3491-12 og EK8
Konstruksjonens svingeperiode beregnet på T = 0,2 sek.
Dimensjonerende responsspektrum
2.00
1.80
Etter EK8 :
Sd(T=0,2) = 1,17
m/s2
Type C
1.60
Type D
1.40
Sd (m/s2)
Etter NS3491-12 : Sd (T=0,2) = 1,73
m/s2
Sd (NS)
1.20
Sd (EK)
1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Periode (s)
Sd = 1,73 m/s2 = 1,73/9,81 = 0,176 g Æ Det betyr at 17,6 % av konstruksjonens vekt påføres som
horisontallast (F = m . a).
Dette viser at i dette tilfelle gir NS3491-12 ca. 48% høyere last enn Eurokode.
4
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.
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.
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.
Tine Meieriet
Beregning av dynamisk stivheter for RD-peler
Dynamisk stivheter av RD-peler er beregnet basert på Novak modifisert metode
(Boundary element metode).
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:
fs;d = Ni/A + Mult /w
•
Ni : Installert kapasitet
•
Mult : Moment kapasitet
•
A : Pelens tverrsnitt areal
•
w : motstand moment
•
fs;d : dimensjonerende
flytspenning av pelematerial
Derfor er det viktig å redusere tillatt vertikallast på peler for å øke momentkapasiteten
som tilsvarer økt horisontalkapasitet.
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.
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.
Mult
Hult (GeoSuite‐Piles)
(kN)
(kNm)
(kN)
RD170/10
1414
6
7.5
RD170/12,5
1826
7
9.0
RD220/12,5
2430
13
13.5
RD320/12,5
3674
30
27.5
Type pel
Utstøping
Fver (fa = 0.90)
RD320/12,5
B35
4905
72
41.5
RD320/12,5+RD220/10
B35
6039
125
37.5
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.
Mult
Hult (GeoSuite‐Piles)
Fver (Rd = 0.75)
Mult
Hult (GeoSuite‐Piles)
(kN)
(kNm)
(kN)
(kN)
(kNm)
(kN)
RD170/10
1414
6
7.5
1062
19
21.5
RD170/12,5
1826
7
9.0
1370
24
25.0
RD220/12,5
2430
13
13.5
1823
43
39.0
RD320/12,5
3674
30
27.5
2756
99
79.5
Type pel
Utstøping
Fver (fa = 0.90)
RD320/12,5
B35
4905
72
41.5
3679
170
130.0
RD320/12,5+RD220/10
B35
6039
125
37.5
4529
162
106.5
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.
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.
CHALENGES!
Takk for oppmerksomheten