Bezwijkveiligheid boortunnels

Transcriptie

1 Bezwijkveiligheid boortunnels Verslag EEM-berekeningen R.P. Roggeveld 6 november

2 Inhoud Inkadering Krachtswerking boortunnel Veiligheidsbeschouwingen Modelopbouw en -uitbreiding Werkwijze bezwijkmechanisme Werkwijze volgens 500 Resultaten bezwijkmechanisme Resultaten volgens 500 Vergelijking resultaten Conclusies en aanbevelingen 6 november

3 Inkadering COB (Centrum Ondergronds Bouwen) 500 (ontwerprichtlijn, afgerond 2000 TC151 (bezwijkveiligheid, in afrondende fase) literatuuronderzoeken laboratoriumproef EEM-analyses 6 november

4 Krachtswerking boortunnel Methode Duddeck (2D) 0 5 Belastingen (orthogonaal) P (kn/m²) Belasting uit grond bepalen a.d.h.v. initiële grond- en waterspanningen spanningen => expliciet Stijfheid bedding bepalen a.d.h.v. grondeigenschappen => expliciet Duidelijk onderscheid tussen belastingen sterkte-invloeden diepte t.o.v. maaiveld (m) σ'v σ'h σw Verticale en horizontale korrelspanningen Ontbonden in radiale en tangentiele belasting 6 november

5 Krachtswerking boortunnel Methode Duddeck Verticale en horizontale korrelspanningen Ontbonden in radiale en tangentiele belasting Radiale belastingen langs tunnelomtrek φ Totale radiale belasting (kn/m²) φ P_rad (kn/m²) σ_rad σv_rad σ_water σ_rad,tot φ (graden) november

6 Krachtswerking boortunnel Methode Duddeck = = σrad σ0 σ1 σ2 uniform opdrijvend ovaliserend Effectieve ovaliserende belasting afhankelijk van stijfheidsverhouding tussen tunnellining en grond Koppelkrachten veroorzaken grotere stijfheid lining => trekt belasting aan + veroorzaakt zaagtandpatroon in momentenlijn P_rad (kn/m²) Tangentieel moment (i.g.v. enkele ring) φ (graden) φ M_tan 6 november

7 Krachtswerking boortunnel Continuümmodel (2D/3D/4D) groutschil Biedt mogelijkheid tot gebruik van complexe(re) materiaalmodellen 3D en 4D analyses mogelijk (bijv. omgevingsbeïnvloeding tijdens bouwfase of veranderingen in geotechnische omstandigheden Omgevingsbeïnvloeding beter te voorspellen (zettingen, schade aan belendingen) Belasting niet expliciet te maken: belasting volgt uit interactie tussen ring en grond; belastingfactoren zinloos Sterkte- en belastinginvloeden niet altijd te scheiden daarom: november

8 Veiligheidsbeschouwingen 3 ontwerppraktijken: Partiële factoren Unity Check (500) Bezwijkmechanisme Probabilistische onderbouwing impliciet door: materiaalfactoren belastingfactoren modelfactoren Probabilistische onderbouwing expliciet door rekenen met stochastische invoer: materiaaleigenschappen belastingen Probabilistische onderbouwing impliciet (doch onvolledig) door: materiaalfactoren Toetsing: gevonden snedekrachten (rekenwaarden) toetsen aan opneembare snedekrachten S : Representatief x γ R : Norm Toetsing: gevonden snedekrachten (rekenwaarden) toetsen aan opneembare snedekrachten evt. reservesterkte eisen S : Maatgevende set param. R : Norm Toetsing: bezwijkbelasting toetsen aan optredende representatieve (gebruiks-) belasting S : Representatief x γ R : Ringbezwijken Meest gebruikte methode Complementair 6 november

9 US Boortunnel UC+FOS Mechanisme Bezwijkt en Bezwijkt en Voegplaten Nokken en en Voegplaten Nokken Bezwijkt Bezwijkt Bezwijkt Bezwijkt 6 november

10 US Boortunnel+Grond Grond kan belasting niet meer opnemen door : Bezwijken bedding Grondbelasting < Grondondersteuning (2 e Orde effecten) 6 november

11 Werkwijze 500 continuümmodel continuüm = betere benadering van de werkelijkheid belasting ontstaat door interactie tussen grond en constructie (de belasting dus niet expliciet te maken) belastingfactoren daarom niet mogelijk Commissie 500: alternatieve methode voor tunnelontwerp m.b.v. continuümmodellen uitgangspunt: betrouwbaarheidseis (i.p.v. draagvermogen) Veiligheidscoëfficiënt: γ = M u / M d 6 november

12 Kansdichtheid Standaardnormale verdeling 5% onder- en overschrijdingskansen Werkwijze 500 semi-probabilistische invoer 5% onder- en overschrijdingsgrens: betrouwbaarheidsinterval β = 1,64 Stijfheid Beton Uniforme Belasting Bepaling rekenwaarden volgens: X levert: = µ (1 ± βv d, i i i ) X µ V verdeling X d X U d E b 40,0*10 3 0,10 SN 33,4* ,6*10 3 σ 0 0,500 0,10 SN 0,418 0,582 Kansdichtheid ognormale verdeling 5% onder- en overschrijdingskansen 5% onder- en overschrijdingsgrens: betrouwbaarheidsinterval β = 1,64 voor ln(x) Stijfheid Grond Bepaling rekenwaarden volgens:, i levert: i ( ) X d = µ e ±β V i X µ V verdeling X d X U d E oed 38,0 0,25 N 25,2 57,3 Maximaliseren van de belastingen 6 november

13 Werkwijze bezwijkmechanisme snap through (doorslagmechanisme) Geometrisch N Fysisch N Belastingen representatief Ovaliserende belasting (σ 2 ) vervolgens opvoeren tot bezwijken door instabiliteit optreedt Veiligheidscoëfficiënt: γ = σ 2,u / σ 2,rep Minimaliseren van de sterkte en/of stabiliteit 6 november

14 Modelopbouw en -uitbreiding geometrie o.b.v. Botlekspoortunnel V 1 segment 6 V 1 segment 5 φ=0 V 1 segment 7 segment 1 45 segment 2 V 1 90 V 1 segment 3 Geometrie o.b.v. Botlekspoortunnel: R = 4,50 m h = 0,40 m N s = 7 t = 0,170 m b = 1,0 m Voegplaten/nokken (model ongekoppeld) 225 segment 4 V 1 V Belastingen (representatief): σ 0 = 500 kpa (uniform) σ 2 = 50 kpa (ovaliserend) 6 november

15 Modelopbouw en -uitbreiding Stapsgewijze uitbreiding van balkenmodel naar plane stress model vanwege: aansluiting op eerdere onderzoeken vergelijking modellen zichtbaar maken afzonderlijke invloeden Onderdelen A B C D segmenten staven staven staven plane stress langsvoegen rotatieveren rotatieveren staven interface bedding translatieveren interface interface interface tekening C en D hebben N-afhankelijke langsvoegstijfheid 6 november

16 Resultaten modeluitbreiding (uitsluitend gemiddelde waarden) ovaliserende belasting (MPa) model A model B model C model D Invloed N-afhankelijke langsvoegstijfheid blijkt uit: angere lineaire tak Steilere plastische tak ogere bezwijklast De modeluitbreidingen geven resultaten volgens de verwachtingen verplaatsing topvoeg (m) -0.3 Te hanteren model : Plane Stress Model 6 november

17 Resultaten bezwijkmechanismen 6 november

18 Grondgelaagheid t.b.v. variatie grondstijfheid 45 o laag 1 22,5 o 22,5 o laag 2 22,5 o 22,5 o laag 3 45 o laag 4 6 november

19 Resultaten RUN 0 (BASIS-RUN) S2 (MPa) Gemiddelde waarden parameters σ0 = 500 kpa E b = N/m² Egrond = 38 N/mm² verplaatsing topvoeg (m) UC SN deelrun γ (M u /M d ) γ (σ 2,u / σ 2,i ) RUN 0 3,26 4,26 6 november

20 Resultaten RUN 0 (bezwijkmechanisme) 6 november

21 Resultaten RUN 1 (variatie betonstijfheid) deelrun E b (/) 1 A 1 B S2 (MPa) BASISRUN 1A 1B Resultaten: deelrun γ (σ 2,u / σ 2,i) RUN 0 4,26 1 A 4,16 1 B 4, verplaatsing topvoeg (m) Invloed betonstijfheid blijkt zeer gering: starre-lichaamsrotatie van de segmenten dominant in totale vervorming 6 november

22 S2 (MPa) verplaatsing topvoeg (m) 45 o 22,5 o 22,5 o 22,5 o 22,5 o 45 o laag 1 laag 2 laag 3 laag A B Resultaten RUN 2 (variatie grondstijfheid) C RUN D E F BASISRUN 2A 2B 2C 2D 2E 2F 2G 2 G Resultaten: deelrun γ (σ 2,u / σ 2,i) RUN 0 4,26 2 A 2,80 2 B 6,66 2 C 4,36 2 D 3,70 2 E 3,88 2 F 4,80 2 G 3,40 2 6,36 laag 1 en 2 zijn sterk van invloed op de grootte van de bezwijklast laag 3 slap stelt spatmechanisme uit (volgende sheet) activering van ringwerking afhankelijk van stijfheidsverhoudingen grond-lining en grondgelaagdheid zeer grote invloed grondstijfheid op veiligheid (-34% tot +56%) 6 november

23 Resultaten RUN 2 (variatie grondstijfheid) resultante reactie laag 1 u top Resultaten: resultante spa tkrachten resultante reactie laag 2 N tan N tan N tan laag 1 laag 2 Grondlagen in bovenste helft zijn maatgevend voor de bezwijklast Slappe 3e laag heeft beperkte invloed wanneer gecombineerd met 1 stijve laag boven N tan laag 3 laag 4 6 november

24 Resultaten RUN 3 (variatie uniforme belasting) deelrun S 0 3 A 3 B 0.15 Resultaten: S2 (MPa) BASISRUN 3A 3B deelrun γ (σ 2,u / σ 2,i) RUN 0 4,26 3 A 4,40 3 B 4, verplaatsing topvoeg (m) Uniforme belasting heeft in eerste instantie verstijvende werking (langere lineaire tak) Door geometrische niet-lineariteit ovaliseert de ring sterk: de uniforme belasting krijgt een aandrijvende werking 6 november

25 Resultaten RUN 4 (maatgevende parameterset) deelrun E b E oed S 0 4 A 4 B 0.15 Resultaten: S2 (MPa) verplaatsing topvoeg (m) BASISRUN 4A (S0 AAG) 4B (S0 OOG) deelrun γ (σ 2,u / σ 2,i) RUN 0 4,26 4 B 2,58 aagste bezwijkbelasting uit gehele rekenexercitie: parameterset blijkt maatgevend 6 november

26 deelrun E b (/) 1 A 1 B Resultaten UC RUN 1 t/m 4 (UC) Parametervariatie: Resultaten: Conclusies: deelrun G1 (E oed ) G2 (E oed ) G3 (E oed ) G4 (E oed ) 2 A 2 B 2 C 2 D 2 E 2 F 2 G 2 deelrun S 0 3 A 3 B deelrun E b E oed S 0 4 A deelrun ( (M u/m d) RUN 0 3,26 1 A 3,73 1 B 3,21 deelrun ( (M u/m d) RUN 0 3,26 2 A 2,80 2 B 4,23 2 C 3,35 2 D 3,55 2 E 3,65 2 F 3,51 2 G 3,93 2 3,17 deelrun M u/m d RUN 0 3,26 3 A 3,14 3 B 3,64 deelrun M d/m u RUN 0 3,26 4 A 2,35 hogere E b geeft lagere veiligheid (meer ringactivering) aanzienlijke invloed E oed op veiligheid (-14% tot +21%) hogere E oed aan de flanken levert hogere veiligheid (minder ringactivering) hogere S0 geeft hogere veiligheid door grotere momentcapaciteit combineren van maatgevende waarden levert laagste veiligheid op 6 november

27 Conclusies RingBezwijkMechanisme Door afwezigheid van koppelingen treden geen plastische momenten in gewapend betonnen doorsnede op. oge grondstijfheid en (in geringe mate) hoge betonstijfheid hebben een gunstige invloed op bezwijkbelasting. oge uniforme belasting daarentegen verlaagt de bezwijkbelasting. Bezwijkmechanisme wordt gedomineerd door bovenste ringhelft. Grote vervormingen veroorzaken grote toename van de normaalkracht in bovenste ringhelft, gevolgd door spatmechanisme. Maatgevende parametersets voor UC en ST zijn ongelijk: hogere betonstijfheid verlaagt UC-veiligheid, maar verhoogt ST-veiligheid. 6 november

28 Aanbevelingen Onderzoeken invloed ringvoegkoppelingen (Geom. Niet ineair) S : Representatief x γ R : Norm uidige praktijk BezwijkBeschouwing S : Representatief x γ R : Ringbezwijken Duddeck Unity Check S : Maatgevende set param. R : Norm Duddeck Integrale Benadering ContinuümModel! S : Maatgevende set param. Richtlijnen R : Ringbezwijken BT-NORM Continuümmodel! 6 november

29 6 november