Numeryczne modelowanie pracy konstrukcji posadowionej na

Krzysztof Nepelski
[email protected]
Politechnika Lubelska
Wydział Budownictwa i Architektury
Katedra Geotechniki
Numeryczne modelowanie pracy konstrukcji
posadowionej na lessowym podłożu gruntowym
Główną tematyką rozprawy doktorskiej jest analiza pracy konstrukcji posadowionej na
podłożu lessowym. W pracy podjęto problem modelowania konstrukcji łącznie z bryłą
podłoża. Odkształcenia i siły wewnętrzne powstające w budowlach są wynikiem oddziaływań
zewnętrznych oraz pracy własnej konstrukcji, a także odkształcalności podłoża. Wiedza na
temat zachowywania się materiałów konstrukcyjnych budowli takich jak stal, beton, ceramika
jest już szeroko rozwinięta, dlatego modelowanie pracy konstrukcji jest stosunkowo łatwe w
porównaniu z modelowaniem podłoża gruntowego. Zachowanie się podłoża gruntowego pod
wpływem zewnętrznych oddziaływań jest zjawiskiem złożonym przede wszystkim ze
względu na nieliniową zależność odkształceń od przyłożonych obciążeń, zróżnicowaną
odkształcalnością podczas obciążeń pierwotnych i wtórnych, pracę w zakresie zarówno
sprężystym jak i plastycznym oraz niejednorodność podłoża.
Parametry niezbędne do zdefiniowania modelu gruntowego wyznaczone zostaną na
podstawie laboratoryjnych i polowych badań podłoża gruntowego. Rezultatem analiz
numerycznych będą wartości odkształceń i sił wewnętrznych w konstrukcji. Wyniki
zweryfikowane zostaną za pomocą pomiarów geodezyjnych prowadzonych w trakcie
budowy oraz eksploatacji obiektu.
Wyniki badań oraz wiedza zdobyta w trakcie ich prowadzenia zostaną wykorzystane
podczas prac projektowych oraz ekspertyz budynków posadowionych na podłożu lessowym.
Analiza pracy fundamentów podczas proces projektowania budowli bywa bardzo często
traktowana pobieżnie. W powszechnej praktyce projektowej wykorzystuje się najczęściej
analityczne metody zakładające zniszczenie podłoża przez ścięcie wzdłuż określonej
powierzchni poślizgu. Podejście to jest słuszne z punktu widzenie stanu granicznego
nośności, jednak nie dostarcza informacji o pracy konstrukcji przed osiągnięciem
wytrzymałości granicznej. Częściowym rozwiązaniem jest zastosowanie w obliczeniach
podłoża Winklera. Jest to jednoparametrowy model zakładający idealnie sprężystą pracę
podłoża gruntowego. Założenia modelu: idealnie sprężystych węzłów oraz brak
uwzględnienia pracy gruntu poza obrysem budynku, nie mają odzwierciedlenia w
rzeczywistości. Uproszczenia te były konieczne w dotychczasowej praktyce, głównie ze
względu na możliwości obliczeniowe wynikające z parametrów sprzętu komputerowego.
Praca podłoża gruntowego jest procesem złożonym i wymaga dokładniejszej analizy.
Stosowanie zaawansowanych metod numerycznych do modelowania podłoża zyskuje w
ostatnich latach ogromną popularność na całym świecie. Doskonalenie tych metod skutkuje
otrzymywaniem rezultatów obliczeniowych coraz wiarygodniej odzwierciedlających
rzeczywiste zachowanie konstrukcji. Również w Polsce metody te są stosowane coraz
częściej. W ostatnich latach zainteresowanie tymi metodami zaobserwowano wśród jednostek
naukowych i biur projektowych z całej Polski. Stosowanie nowoczesnych technologii
projektowych jest warunkiem koniecznym dla rozwoju Lubelszczyzny. Istotne jest to między
innymi ze względu na zwiększoną ilość powstających wieżowców oraz obiektów usługowych
i przemysłowych, których ewentualna awaria niosłaby za sobą katastrofalne skutki.
Uwzględnienie pracy podłoża podczas projektowania obiektów na terenie Lubelszczyzny
jest istotne i wynika z charakterystycznych właściwości lessów. Podłoże lessowe
charakteryzuje się dużą porowatością, która często uznawana jest za przyczynę osiadania
zapadowego. W warunkach naturalnych lessy występują najczęściej w stanie półzwartym oraz
twardoplastycznym i charakteryzują się wysokim kątem tarcia wewnętrznego i spójnością,
czego efektem jest duża wytrzymałość strukturalna. W momencie pojawienia się wody w
gruncie, w trakcie jego nasycania wartości parametrów wytrzymałościowych drastycznie się
obniżają, czego skutkiem jest gwałtowny spadek wytrzymałości i znaczne osiadanie. Po
dogłębnej analizie literaturowej stwierdzono, że najlepsze odwzorowanie zachowania się
podłoża lessowego uzyska się tworząc model podłoża oparty na modelu gruntowym
Barcelona Basic Model, który jest rozwinięciem sprężysto-plastycznego konstytutywnego
modelu podłoża Modified Cam Clay (MCC). Model Barcelona rozwija MCC, wprowadzając
charakterystyki podłoża uwzględniające stan nasycenia gruntu. W badaniach realizowanych
podczas przewodu doktorskiego, stworzony zostanie nowy model podłoża skalibrowany pod
kątem gruntów występujących na terenie Lubelszczyzny, bazujący na modelu Barcelona.
Będzie on miał zastosowanie podczas modelowania podłoża lessowego występującego na
terenie Lubelszczyzny.
W pracy doktorskiej podjęta została problematyka pracy podłoża uwzględniająca jej
złożony charakter. Innowacyjność metody projektowej wynika z zastąpienia
dotychczasowych sposobów wyznaczania nośności (analityczna metoda normowa) i
odpowiedzi podłoża (model Winklera), numerycznym modelowaniem bryły podłoża
gruntowego zdefiniowanym za pomocą praw konstytutywnych. Takie podejście projektowe
pozwala na otrzymanie nie tylko reakcji z konstrukcji na grunt i sprawdzenie jego nośności,
lecz również odpowiedzi podłoża na konstrukcję. Dodatkowo model Barcelona uwzględnia
stan nasycenia podłoża, któro ma ogromny wpływ na wytrzymałość gruntów lessowych.
W związku coraz dynamiczniejszym rozwojem regionu, powstaje i powstawać będzie
znaczna ilość nowych obiektów. W planach jest budowa wielu budynków wysokich, których
projektowanie wymaga analiz numerycznych z uwzględnieniem pracy podłoża. Opracowany
podczas rozprawy doktorskiej model gruntowy służył będzie do obliczeń numerycznych
wykonywanych na etapie projektowania nowopowstających budynków oraz w ekspertyzach
istniejących obiektów.