Przewodnik - Konstrukcje z użyciem grodzic odporne na oddziaływania sejsmiczne: Korzyści ekonomiczne z zaawansowanych metod projektowania
Przewodnik przedstawia innowacyjne metody projektowania z wykorzystaniem rozwiązań w zakresie ścianek szczelnych dla ekstremalnie dynamicznych warunków obciążeń w portach, na śródlądowych drogach wodnych oraz w innych projektach infrastrukturalnych.
W celu uzyskania bardziej szczegółowych informacji lub pomocy przy dynamicznym projektowaniu grodzic z wykorzystaniem MES zapraszamy do kontaktu z firmą ArcelorMittal Sheet Piling.
Ekonomiczne i bezpieczne metody projektowania konstrukcji z grodzic stalowych w strefach silnie sejsmicznych
Grodzice są szeroko stosowane do budowy różnorodnych konstrukcji, takich jak ściany nabrzeży i falochrony w portach, wzmocnienia brzegów rzek i kanałów, przejścia podziemne, a także bariery i systemy ochrony. Dowiodły one również swojej skuteczności w obszarach sejsmicznych w wielu krajach na całym świecie.
Chile - kraj, który doświadczył najsilniejszych trzęsień ziemi w historii - stanowi doskonały przykład. Podczas gdy jego betowe porty zostały poważnie uszkodzone, Port Mejillones, zbudowany w 2003 roku przy wykorzystaniu ściany kombinowanej HZ®/AZ® do budowy nadbrzeża oraz profili o prostych środnikach AS 500 w konstrukcji falochronu, nie uległ żadnym uszkodzeniom w trakcie wielu trzęsień ziemi, nawet o sile do 7,7 stopni. Jest to doskonały przykład skuteczności elastycznych konstrukcji z grodzic w ekstremalnych warunkach sejsmicznych.
Niemniej jednak wśród niektórych projektantów nadal występuje pewna niechęć do stosowania grodzic w obszarach sejsmicznych. Ta obawa może wynikać z ich doświadczeń z konwencjonalnymi metodami projektowania, które nie sprzyjają elastycznym ściankom szczelnym w obszarach sejsmicznych. Te metody projektowania obejmują zwykle obliczenia pseudo-statyczne z wykorzystaniem teorii Mononobe-Okabe (1931).
Badania numeryczne i eksperymenty fizyczne (testy wirówkowe) wykazały, że te konwencjonalne metody projektowania zawyżają obciążenia działające na ściany oporowe, szczególnie w przypadku ścian elastycznych. Chociaż norma EN 1998-5 pozwala na zmniejszenie oddziaływania sejsmicznego w zależności od dopuszczalnych przemieszczeń (współczynnik redukcyjny „r”), dotyczy to tylko ścian grawitacyjnych, a nie ścian kotwionych, takich jak ściany z grodzic, pomimo ich naturalnej ciągliwości.
Obecnie skuteczne narzędzia projektowe wykorzystujące modelowanie elementów skończonych (MES) pozwalają na obliczenia dynamiczne, które mogą dokładnie przewidywać zachowanie ścian oporowych, poddawanych różnym obciążeniom sejsmicznym, w tym siłom wewnętrznym, odkształceniom, wzrostowi ciśnienia wody w porach i przewidywanym modelom zniszczenia.
Oszczędność kosztów materiału dzięki dynamicznym metodom projektowania
Projekt badawczy prowadzony przez dział badawczo-rozwojowy ArcelorMittal oraz badanie przeprowadzone przez wiodącą na świecie firmę konsultingową ds. inżynierii morskiej SENER wykazały znaczny potencjał optymalizacji. W badaniu przeanalizowano szerokie spektrum przypadków - cztery głębokości wody, cztery przyspieszenia sejsmiczne, dwa różne uwarunkowania glebowe. Porównano konwencjonalną metodę pseudo-statyczną opartą na normie EN 1998-5 z wykorzystaniem oprogramowania do reakcji podłoża sprężysto-plastycznego oraz w pełni dynamicznej, zaawansowanej metody z wykorzystaniem oprogramowania MES.
Wszystkie zbadane przypadki wykazały znaczny potencjał optymalizacyjny przy zastosowaniu projektowania MES. Momenty zginające w obliczeniach pseudo-statycznych są od 40% do 126% wyższe niż w obliczeniach MES. Biorąc pod uwagę odpowiednie profile grodzic, może to przynieść do 50% oszczędności kosztów materiału, przy zastosowaniu zaawansowanych metod projektowania sejsmicznego.
Odpowiednio przeanalizowane obciążenia hydrodynamiczne przyczyniają się do dodatkowych oszczędności materiałowych
Obciążenia hydrodynamiczne są powszechnie uważane za pseudo-statyczne i obliczane zgodnie z normą EN 1998-5, przy użyciu wzoru Westergaarda jako stałego obciążenia wodą, przez cały czas trwania trzęsienia ziemi. SENER wykorzystał MES i obliczeniową dynamikę płynów (CFD) do obliczenia wpływu obciążeń hydrodynamicznych na ścianę z grodzic podczas oddziaływania sejsmicznego, biorąc pod uwagę interakcje gleba-płyn w analizie dynamicznej.
Zastosowanie tradycyjnego wzoru Westergaarda w normie EN 1998-5 odpowiada obciążeniom hydrodynamicznym uzyskanym przez CFD w określonym momencie podczas trzęsienia ziemi. Ponieważ jednak Westergaard uważa, że są to obciążenia stałe podczas całego trzęsienia ziemi, ewidentne jest przeszacowanie jego skutków.
W obliczeniach MES przeprowadzonych za pomocą Plaxis 2D porównano wyniki uzyskane przy zastosowaniu tradycyjnego obciążenia Westergaarda z wynikami uzyskanymi przy zastosowaniu realistycznego obciążenia zmiennego zależnego od czasu (poprzez obciążenie dynamiczne lub przez dodane masy). Wyniki wykazały wzrost momentu zginającego o 24,5% (w odniesieniu do skutków czysto sejsmicznego działania), przy zastosowaniu tradycyjnego obciążenia Westergaarda, w porównaniu z 4% przy obciążeniu chwilowym. W tym studium przypadku uwzględnienie realistycznego obciążenia hydrodynamicznego przełożyło się na oszczędność kosztów materiału o 14%, biorąc pod uwagę odpowiednie profile grodzic.
Tekst:
ArcelorMittal Sheet Piling
Constructalia
Zdjęcia:
ArcelorMittal Sheet Piling