dr inż. Jan Fedorowicz 2007 Wyniki badań

Transkrypt

1 dr inż. Jan Fedorowicz 007 Katedra Teorii Konstrukcji Budowlanych ul. Akademicka 5, GLIWICE tel , fax Wyniki badań Wyniki badań prowadzonych przez kilka ostatnich lat zawarte zostaną w przygotowywanej do druku pracy pt.: Kryteria tworzenia i oceny adekwatnych modeli obliczeniowych układów konstrukcja budowlana podłoże podlegające dużym deformacjom o charakterze górniczym, przewidzianej jako część II całości pt.: Zagadnienia kontaktowe budowla-podłoże gruntowe (część I strona internetowa Lidii Fedorowicz). Pierwszą ścieżką badawczą, dotyczącą zachowania podłoża gruntowego podlegającego deformacjom górniczym obrazują wybrane i przedstawione poniżej prace. Inżynierskie analizy układu budowla deformujące się podłoże górnicze bazują na założeniu prawidłowości odwzorowania złożonego stanu deformacji powierzchni terenu za pomocą stanów reprezentowanych podstawowymi wskaźnikami deformacji (obniżeniami, poziomymi przemieszczeniami i odkształceniami, nachyleniami oraz krzywiznami powierzchni terenu), gdzie stan deformacji powierzchni jest wynikiem górniczych prognoz skutków rozprzestrzeniania się deformacji górotworu naruszonego eksploatacją. Implikacją powyższego są określone możliwości i metody realizacji stanu deformacji powierzchni terenu w modelach obliczeniowych powierzchni terenu w schematach modeli obliczeniowych układu budowla podłoże górnicze; W analizach badawczych, w odróżnieniu od analiz o charakterze czysto inżynierskim, stosowany jest zwykle numeryczny model podłoża w postaci podukładu (Pg) o odpowiednio wprowadzonych ( zwykle przyrostowo) kinematycznych warunkach brzegowych. Przez analogię do (usankcjonowanego Wytycznymi postępowania inżynierskiego) rozdzielnego traktowania wpływu rzeczywistych przemieszczeń powierzchni na konstrukcję kinematyczne warunki brzegowe wyznaczane w numerycznym modelu podłoża (Pg) były w początkowych propozycjach numerycznego sposobu oceny wytężenia konstrukcji

2 warunkami odpowiadającymi działaniu równomiernego rozluźnienia lub zagęszczenia podłoża gruntowego przy działaniu odkształceń poziomych ε x (Majewski S.: Sprężystoplastyczny model wspópracującego układu budynek-podłoże poddanego wpływom górniczych deformacji terenu, Zeszyt. Nauk, Politechniki Śląskiej, Gliwice 1995) oraz dalszych propozycjach warunkami, które wywoływały w modelu podłoża prognozowaną krzywiznę powierzchni terenu (np. Starosolski W.: Wybrane zagadnienia komputerowego modelowania inżynierskich, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 003). Warunkiem zgodności modelu numerycznego z zachowaniem rzeczywistej bryły podłoża gruntowego byłaby jednakże taka konstrukcja kinematycznych warunków brzegowych modelu (Pg), aby na górnym brzegu modelu odtwarzane były numerycznie funkcje przemieszczeń odpowiadające prognozowanym przemieszczeniom wolnego terenu górniczego (w.t.). Uwagi o potrzebie uwzględniania rzeczywistych (wewnętrznych) warunków brzegowych w analizie pracy górniczego podłoża gruntowego znajdujemy już w dość wczesnej fazie rozwoju analiz numerycznych (prace M. Gryczmańskiego np.: Zastosowanie metody elementów skończonych do określania naprężeń w podłożu na terenie górniczym. Konferencja Nauk.-Techn. Budownictwo na Terenach Górniczych o dużych deformacjach powierzchni, PAN Oddział Katowice, Komisja Ochrony Terenów Górniczych, Katowice 1976, s , a także: Analiza statyczna układu konstrukcja sprężysta podłoże górnicze mieszaną metodą elementów skończonych i brzegowych. Konferencja Nauk.-Techn. Komputerowe Metody Projektowania Budowli na Terenach Górniczych, KILiW PAN, Główne Biuro Studiów i Projektów Góniczych, Katowice, 1981, s ). Stąd przedstawiona w 1998 roku na Międzynarodowym Sympozjum GEOTECHNIKA`98 propozycja sposobu wykorzystania rzeczywistych warunków brzegowych w analizie wytężenia konstrukcji. Należy w tym miejscu zwrócić uwagę, że znajomość rzeczywistych warunków brzegowych (uzyskanych z wycięcia podobszaru (Pg) z pełnego modelu górotworu, w którym symulowana jest eksploatacja górnicza) jest sytuacją szczególną, towarzyszącą jedynie kompleksowym pracom badawczym i nie może mieć miejsca w podstawowych analizach inżynierskich. Wnioski wynikające z tak szeroko zakrojonych analiz mogą jednajże doprowadzić do udoskonalenia czysto inżynierskich sposobów oceny wytężenia konstrukcji pracującej na terenach górniczych.

3

4 N [kn] ε x 8,80 q=100 kpa ε x -0,001-0,003-0,006-0,008-0,010-0,013 Rys.. 34,60 M o=100 MPa, c=0 kpa, φ =15 o obszar uplastyczniony Rys.3. 34,60 111,00 Siły normalne w osi symetrii modelu budynku Rys. 5. Komentarz: Należy zwrócić uwagę, że jedynie rozwiązanie z pełnymi warunkami brzegowymi jest rozwiązaniem pełnym dającym całkowite dodatkowe obciążenia konstrukcji na deformującym się podłożu górniczym, co skutkuje oceną wytężenia konstrukcji.

5

6 Komentarz: Zgodnie z rozważaniami przedstawionymi w 1998 roku zaproponowano systematykę sposobów realizacji obciążenia konstrukcji wpływami górniczymi, włączając sposób łącznej realizacji wpływu odkształceń poziomych ε x oraz wpływu promienia krzywizny R (patrz powyższy schemat).

7 Porównano wyniki analiz numerycznych realizujących stan pracy podłoża: (1) uproszczony, uwzględniający jedynie rozluźnienie podłoża, ε x =const=3,0 mm/m, () pełny (rys. ). uzyskany przez wprowadzenie warunków brzegowych pochodzących z symulacji zachowania się górotworu i powierzchni terenu w czasie prowadzenia eksploatacji górniczej [9,10]. Stan ten odpowiadał prognozowanym wskaźnikom deformacji powierzchni terenu: ε x =3,0 mm/m, R=0 km. Symulując rzeczywistą pracę podłoża () otrzymano (tak jak w (1)) charakterystyczny, występujący pod fundamentem klin nieuplastycznionego gruntu, o odkształceniach wewnątrz mniejszych od otoczenia oraz dużych wartościach w narożach fundamentu.

8 8,80 q=100 kpa ε x -0,001-0,003-0,006-0,008-0,010 34,60-0, ,00 Rys. a) Przekrój poprzeczny warstwy zabezpieczającej h I kruszywo l geosiatka (np. Fortrac 35/35-35) wzmocniona warstwa górna: np."klamry" z pasów TK50/3 (tkaninowa taśma przekładkowa przenośników górniczych) c) 1,63 u G [cm] o u G - spięcie odcinkami (rys.3b),15 u G 1,30 1,17 1,1 0,84 o u G - spięcie pełne o 1,1 h I = 0,60 m 0,65 h I [m] E (I) [MPa] 0,30 0,45 0,60 Rys Komentarz: Ponowne wykorzystanie pełnych kinematycznych warunków brzegowych w analizie podłoża górniczego.

9 Komentarz: Uzupełnienie systematyki obciążeń (z 1999 roku) konstrukcji wynikających z wpływów górniczych

10 (s.w.b.) Realizacja w modelu obliczeniowym odkształceń podłoża (ε) (k.w.b.) (A) (B) (C) (B) (C) Siły Wyznaczane dla fundamentu oddzielomego od podłoża normalne [], [3] lub dla fundamentu współpracującego z N podłożem [4] Siły Wyznaczane dla fundamentu i współpracujących z nim normalne kondygnacji (piwnicznej i wyższych) [5], [9] N Siły Wyznaczane z uwzględnieniem reologii jako wielkości normalne uogólnione w konstrukcji [10] N Siły Wyznaczane jako wielkości uogólnione w konstrukcji o normalne zredukowanym modelu obliczeniowym [11] lub z N redystrybucją w konstrukcji [1] Dodatkowa analiza pracy podłoża gruntowego (A) Momenty M siły poprzeczne Q Wyznaczane jako wielkości uogólnione w przekrojach budowli sztywnej [1], [] (k.w.b.) (s.w.b.) Realizacja w modelu obliczeniowym wygięcia podłoża (R) (A) (B) (C) (C) Momenty M siły poprzeczne Q siły normalne N Momenty M siły poprzeczne Q siły normalne N Momenty M siły poprzeczne Q siły normalne N Momenty M siły poprzeczne Q siły normalne N Wyznaczane w budowli odkształcalnej z dokładnością zależną od modelu obliczeniowego [], [3], [7] Wyznaczane w budowli odkształcalnej na podłożu sprężystym [8], podłożu Winklera [6], podłożu analogowym sprężysto plastycznym [9] Wyznaczane jako wielkości uogólnione w konstrukcji na podłożu opisanym modelem M/V [10] Wyznaczane jako wielkości uogólnione w modelu zredukowanym lub z redystrybucją w budowli [13] Dodatkowa analiza pracy podłoża gruntowego Realizacja łączna wpływów (ε+r) (k.w.b.) (C) Momenty M siły poprzeczne Q siły normalne N Wyznaczane jako wielkości uogólnione w modelu zredukowanym konstrukcji [14] Dodatkowa analiza pracy podłoża gruntowego Realizacja wychylenia konstrukcji (T) (m.w.b.) (B) (C) Momenty M siły poprzeczne Q siły normalne N Momenty M siły poprzeczne Q siły normalne N Rys.3. Wyznaczane w konstrukcji odkształcalnej z dokładnością zależną od modelu obliczeniowego Wielkości wyznaczane jak dla ścieżki (B) [15] Dodatkowa analiza pracy podłoża gruntowego

11 a) Układ ścian budynku 10,8 5,4 5,4 reper , 6,0,4 4,8 6,0 8 6 reper 611 B C A kierunek wychylenia b) Ściana ,8 1,4,8, ,6 3,6 6,0 6, reper 610 β α,8,4 0,8 0,6 α β c) VII_89 VIII_91 X_93 IV_95 III_96 VIII_96 X_96 reper 608 reper 610 d) h [m] (1) () (3) reper T z [kn/m] -50 obniżenie [mm] e) -0,007-0,006-0,005-0,003-0,00-0,001-0,008-0,010 0,005 0,004 0,003 0,00 0,001-0,5E-3 y _ uplastycznienie x E φ=17o o =30 MPa, ν=0,30, c=5 kpa, γ=1 kn/m 3 Rys.5.

12 Komentarz: Poruszono problem adekwatności rozwiązań interaktywnych układów konstrukcja budowlana podłoże górnicze, przedstawiając m. innymi problem rzeczywistych warunków brzegowych w analizach podłoża.

13 (P g ) v A-C A u A-C C (B) (P g ) v C-D u C-D h g B D v B-D u B-D G Rys.1.

14 a) B ε r z u r K b) w.t H D T C v max u v (P g ) v u β β x u, v wg [] w.t. wg teorii Budryka-Knothego [] w.t. wynik symulacji numerycznej Rys a) L [m] T [mm/m] ε [mm/m] Odległość frontu eksploatacji przed / za punktem (i) v [mm] -4 Przejście frontu pod punktem (i) V=4,4 m/dobę [cykle pomiar.] t [dni] ε t=1 dni 0,5. v max v T d=1 dni. 4,4 m/dobę=9.4 m t=13 dni L odległość frontu eksploatacyjnego od punktu (i) t=14 dni v 7 v8 v 9 v 10 b) t v k (t) v(t) v k ( ) v Rys.3. Komentarz: Rozwinięcie problemu warunków brzegowych w modelach układów budowla podłoże górnicze (pełnych rzeczywistych oraz określonych wg teorii Budryka) o zjawiska towarzyszące zwiększonej prędkości eksploatacji.

15

16 r=70m 139m r=70m 0.35m 8m (P g ) 0.7m β β 140m kierunek eksploatacji tg(β)=.0, n=0.66, r o =0.4. r=8m, r g =1.6. r=11m Rys L [m] w.t.b.(u) w.t.b.(v) 3 (P) g - w.t.n.(u) (P) g - w.t.n.(u) 1 (P) g - w.t.n.(u) (P) 1 g - w.t.n.(v) (P) g - w.t.n.(v) u/v [m] (P) g 3 - w.t.n.(v) Numeryczne funkcje przemieszczeń wolnego terenu w.t.n.(v), w.t.n.(u) w porównaniu do prognoz wg teorii Budryka w.t.b. Numeryczne zaburzenia (obszar zacieniony) strefy nie ulegającej deformacjom wg teorii Budryka (L B ) L B =70 L B =70 L n1 =19 (P) 1 g L L h g =1 L n =5 (P) g L 1 L h g =4 Rys.3.

17 a) Realizacja k.w.b. Budryka przez symulację wędrówki niecki b) Bezpośrednia realizacja k.w.b. Budryka Rys v [m] h g D h [m] B=1m D=1.4m 36.0 λ=0.066, κ=0.0074, e cs =1.788, M=1., q*=150 kpa, G=10000 kpa, γ=0 kn/m 3, K (NC) o =0.45 Rys.8. K o (OC) = 1.5 do głębokości 1.5m, na głębokości 34.6m

18 v [m] -5 D h g D=1.4m h [m] λ=0.066, κ=0.0074, e cs =1.788, M=1., q*=150 kpa, G=10000 kpa, γ=0 kn/m 3, K (NC) o =0.45 K o (OC) = 1.5 do głębokości 1.5m, na głębokości 34.6m Rys.9. Komentarz: Rozszerzenie powyższych rozważań (dotyczących rzeczywistych warunków brzegowych) o przedstawienie: zachowania się powierzchni terenu górniczego przy przechodzeniu frontu eksploatacji górniczej oraz numeryczną ocenę zasięgu współpracy konstrukcji z podłożem gruntowym przy przechodzeniu frontu eksploatacji górniczej.