Comportarea ancorajelor in teren la solicitari dinamice

In acest articol autorii prezinta rezultatele unor simulari numerice, bazate pe metoda elementului finit, ale comportarii unui ancoraj in teren. Ancorajul a fost supus atat unor solicitari statice – prin modelare nume­rica si incercari in situ – cat si unor solicitari dinamice – prin modelare. De asemenea, s-au pus in evidenta cateva concluzii, in special in urma solicitarilor dinamice asupra ancorajelor in teren.

Astfel, se observa o diferenta intre valorile deplasarii ancorajului la partea superioara a fasciculului de toroane, la partea superioara a bulbului, respectiv la partea inferioara a bulbului, precum si o degradare a parametrilor mecanici care influenteaza frecarea dintre bulb si pamant, la efectuarea mai multor cicluri de incarcare-descarcare.

In cazul structurilor inalte, ampla­sate in zone seismice, pentru fundare poate fi luat in considerare un sistem compus dintr-un radier si ancoraje in teren. Aceste tipuri de cladiri au, in general, fundatiile de tip radier general, datorita incarcarilor semnificative pe care le transmit terenului de fundare. Din gruparile fundamentale de incarcari, pentru terenuri relativ bune de fundare, solutia care s-ar impune ar fi un radier general. Din gruparile speciale de incarcari, in urma actiunii seismice, pe talpa radierului general apar presiuni foarte mari pe o parte, iar pe alta parte, chiar presiuni „nega­tive“. Utilizarea ancorajelor in teren poate fi o solutie pentru preluarea presiunilor „negative“ si atenu­area presiunilor foarte mari.

In cele ce urmeaza ne referim la simularea tridimensionala a unui ancoraj in teren, in timpul solicitarilor dinamice, cu ajutorul unui program de element finit, avand ca suport incercari in-situ. Aceasta simulare se poate constitui ca un prim pas pentru simulari ulterioare ale ansamblului teren – infrastructura – structura, cu solutia de fundare data de un sistem format din radier general si ancoraje in teren.

MODELAREA ANCORAJELOR IN TEREN

Calibrarea si descrierea modelului

In vederea modelarii s-a utilizat programul ABAQUS. Modelul tridimensional creat initial a fost unul perfect elastic. Dupa cum se poate observa in figura 1, s-a modelat un masiv de pamant cu un volum suficient de mare pentru a nu influenta rezultatele analizei. S-a folosit un masiv de pamant cilindric, cu raza de 50 m si inaltimea 25 m, pentru simplificarea discretizarii solidului creat si pentru compatibilitatea dintre geometria lui si cea a ancorajului.

Ancorajul a fost creat din doua parti: toroanele, asimilate in totalitatea lor cu un cilindru cu raza de 0,1 m, cu lungimea libera de 10 m si lungimea in zona bulbului de inca 6 m si bulbul, care are o sectiune inelara, cu raza exterioara de 0,2 m si cea interioara egala cu raza exterioara a fasciculului de toroane.

Ca parametri de calcul pentru bulbul de beton, care are o comportare perfect elastica, s-au ales modulul lui Young E = 2,7*107 kPa si coeficientul lui Poisson n = 0,25, iar pentru fasciculul de toroane s-au utilizat valorile E=29*107 kPa si n = 0,30. Pentru modelarea terenului de fundare a fost ales un pamant care, initial, a avut o comportare elastica, cu urmatorii parametri: E=18.000 kPa si n = 0,30. Pentru modelarea comportarii plastice a acestuia a fost utilizat modelul constitutiv Drucker – Prager, cu urmatorii parametri: b=13,700 si d=10,50 kPa.

Intre bulbul de beton injectat si fasciculul de toroane a fost aleasa o interactiune tangentiala de tip „Rough“ (fara alunecare), simuland, astfel, priza dintre armatura ancorajului si betonul injectat. De asemenea, pentru componenta normala a interactiunii dintre cele doua, s-a ales tipul „Hard Contact“, fara posibilitatea deplasarii relative a bulbului fata de toroane. In acest fel, s-a modelat intreaga interactiune beton-metal din interiorul ancorajului.

Pentru a crea interactiunea dintre ancoraj si terenul de fundare din jur, elementul de rezistenta a fost separat in doua suprafete de contact: una intre bulbul activ si pamant, si a doua intre fasciculul de toroane si pamant.

Pentru prima suprafata, componenta normala a fost aleasa de tipul „Hard Contact“, fara posibilitatea deplasarii relative fata de teren; componenta tangentiala a fost de tip „Lagrange multiplier“. Asupra acestuia a fost realizata intreaga calibrare, neexistand date asupra coeficientului de frecare statica m. Calibrarea a fost realizata urma­rindu-se, pe parcursul mai multor modele, obtinerea, la partea superioara a toroanelor, a aceleiasi deplasari, sub aceeasi forta de pretensionare, care a fost obtinuta si din incercarile in situ. A rezultat o valoa­re a lui m, de 0,82. A doua suprafata de contact, dintre fasciculul de toroane si terenul de fundare, a fost considerata, la nivelul componentei tangentiale, de tipul „Frictionless“ – fara frecare. Aceasta alegere a fost facuta tinandu-se cont de coeficientul de frecare statica m, dintre teaca de PVC care protejeaza armatura si fasciculul de toroane, care are o va­loare foarte redusa. Componenta normala a acestei interactiuni a fost aleasa tot de tipul „Hard Contact“, insa cu posibilitatea deplasarii relative a celor doua suprafete aflate in contact.

Modelul fara cedare

Au fost modelate doua ancoraje incarcate diferit: cu 225 kN, respectiv cu 520 kN. Deplasarile la partea superioara a toroanelor astfel obti­nute au fost apropiate de cele rezultate in urma incercarilor in situ. Astfel, pentru forta de pretensionare de 225 kN a fost obtinuta, pe teren, o deplasare de 10,1 mm, iar in model 9,7 mm, respectiv pentru forta de pretensionare de 520 kN a fost obtinuta pe teren o deplasare de 35 mm, iar in model 37 mm (fig. 4).

Modelarea cedarii la interfata bulb-pamant

Prin modelare s-a dorit sa se evidentieze caracteristici ale efectelor diferitelor incarcari asupra ancorajelor; de exemplu, depasirea capa­citatii portante prin indeplinirea conditiei t_max │ t_interfata.

Pentru indeplinirea conditiei de cedare la interfata bulb-pamant, a fost adoptat un criteriu liniar de scadere a coeficientului de frecare statica m – in functie de deplasarea bulbului – adimensionalizata fata de marimea acestuia (fig. 5). Cedarea ancorajului a fost considerata in momentul in care fie deplasarea depasea 5% din lungi­mea bulbului (0,30 m), fie la partea superioara a bulbului efortul de compresiune datorat impingerii acesteia asupra pamantului devine foarte mare. Astfel, pentru modelul incarcat cu 625 kN, s-a putut constata ca, desi a avut loc o alunecare a bulbului de 66 mm fata de terenul de fundare, partea superioara a lui s-a incarcat cu un efort de 662 kPa. In cazul incercarii in situ s-a putut evidentia, inainte de cedare, o de­plasare la varf de 64 mm.

Modelarea unui ancoraj solicitat dinamic

In aceasta parte s-au urmarit – prin intermediul modelarii utilizand MEF – efectele pe care o incarcare dinamica le are asupra unui ancoraj.

A fost utilizat modulul de calcul dinamic explicit din programul ABAQUS. Modelarea unei forte dinamice, variabile in timp, s-a realizat cu o functie de tipul celei din figura 10. Forta constanta asupra careia s-a aplicat aceasta functie a fost de 200 kN. S-a constatat ca, dupa terminarea unui ciclu de incarcare-descarcare, depla­sarea ancorajului scade de la valoa­rea maxima inre­gistrata in momentul de maxim al fortei aplicate, la una diferita de 0, datorata comportamentului plastic al pamantului, precum si o crestere a valorii coeficientului de frecare statica. Astfel, corespunzator unei valori maxime a deplasarii de 19 cm, s-a inregistrat o valoare reziduala de 14 cm.

Se poate concluziona ca m va scadea nu doar odata cu deplasarea relativa, cat mai ales cu cresterea vitezei cu care se „mobilizeaza“ ancorajul, iar la revenirea acestuia la starea de repaus, m va creste iar, dar nu la o valoare maxima, ci la una mai mica.

Prin aceasta modelare s-a evidentiat, de asemenea, o degradare a capacitatii portante posibile, de la ciclu la ciclu, prin scaderea fortei de frecare la interfata dintre bulbul activ si terenul de fundare.

CONCLUZII

Prin modelare s-a putut evidentia diferenta dintre valorile deplasarii ancorajului la partea superioara a fasciculului de toroane, la partea superioara a bulbului, respectiv la partea inferioara a bulbului. In acest sens, s-a putut observa o diferenta foarte mica a deplasarilor diferen­tiale, ce poate fi neglijata, intre nivelul superior si cel inferior al bulbului, explicatia constand in faptul ca elementul din beton armat este unul foarte rigid in comparatie cu fasciculul simplu de toroane, de lungime considerabila.

O alta concluzie impor­tanta a aces­tui studiu este aceea a degra­darii parametrilor mecanici care influenteaza frecarea dintre bulb si pamant la efectuarea mai multor cicluri de incarcare-descarcare. In vederea unei modelari mai apropiate de realitate se pot propune teste in situ, care, prin calcul indirect, sa arate capacitatea portanta a ancorajului, precum si o valoare orientativa a coeficientului de frecare m, ce depinde de litologia amplasamentului si de stratul de incastrare al ancorajului.

BIBLIOGRAFIE

1. Ardelean, C. S., Sisteme de ancoraje in teren pentru structuri inalte in zone seismice. Teza de Doctorat, U.T.C.B., Bucuresti, 2011;

2. Ivanovic, A., The dynamic response of ground anchorage systems, PhD thesis, University of Aberdeen, Aberdeen, UK, 2001;

3. Martak, L., Bucharest Metro­­polis, Results of anchor tests executed on 29th and 30th October 2008, Explanation of the results;

4. Abaqus 6.10 – User Manual.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 91 – aprilie 2013, pag. 64

Autori:
s.l. ing. Stefan C. Ardelean,
asist. univ. dr. ing. Daniel M. Manoli,
asist. univ. dr. ing. Alin C. Neagu – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti, Departamentul de Geotehnica si Fundatii