Numeryczne modelowanie pracy konstrukcji posadowionej na lessowym podłożu gruntowym

Abstract

W pracy przedstawiono analizy numeryczne MES współpracy konstrukcji budynku łącznie z bryłą podłoża gruntowego. Lublin położony jest w obrębie Wyżyny Lubelskiej, która w dużej mierze zbudowana jest z plejstoceńskich pokryw lessowych o znacznej miąższości. Grubość pokrywy lessowej sięga od kilkunastu do ponad trzydziestu metrów. W związku z powyższym znaczna część obiektów budowalnych posadowiona jest na podłożu lessowym. Ponieważ rodzaj podłoża ma zasadniczy wpływ na odkształcenia i rozkład naprężeń w elementach konstrukcyjnych obiektów, to głównym celem badań była szczegółowa analiza pracy budynku z uwzględnieniem podatności podłoża gruntowego, utworzonego przez lessy. W celu rozwiązania problemu naukowego, wykonano przegląd dostępnej literatury na temat gruntów lessowych, konstytutywnych modeli podłoża i analiz numerycznych, a także problematyki ustalania parametrów podłoża. Badania własne podzielono na dwie części: badania i analiza ogólna podłoża lessowego z terenu Lublina i okolic oraz badania i analizy numeryczne na obiektach rzeczywistych. W ramach badań ogólnych lessów z terenu Lublina, przeanalizowano wyniki 543 sondowań statycznych CPT/CPTU o łącznej długości ponad 4000 metrów bieżących oraz 11 testów DMT/SDMT o łącznej długości 73 metrów bieżących, a także dane z odwiertów badawczych i badań laboratoryjnych. Przeprowadzona analiza pozwoliła między innymi na wyznaczenie statystycznego rozkładu wartości oporów stożka qc, oraz dylatometrycznych modułów ściśliwości MDMT. Główne prace badawcze wykonywano na dwóch różniących się od siebie obiektach: niskim-rozległym (Cyprysowa) oraz wysokim-zwartym (Kraśnicka). W ramach prac badawczych wykonywano między innymi testy CPT oraz SDMT i badania laboratoryjne gruntu, a także pomiary osiadania budynku oraz częstości drgań własnych. Analizy numeryczne MES prowadzono etapami w programie ABAQUS zarówno na modelu całego obiektu, jak i na jego wycinkach. Prawidłowość odwzorowania rzeczywistej konstrukcji budynku w modelu numerycznym zweryfikowano poprzez porównanie częstotliwości drgań swobodnych z pomiarów wykonanych in-situ podczas budowy, z wynikami obliczeń drgań własnych. Kolejne analizy dotyczyły wyznaczenia przemieszczeń i naprężeń w poszczególnych etapach budowy całego budynku. Zamodelowano bryłę podłoża, a następnie etapami dodawano kolejne kondygnacje. Końcowe wartości obliczonych przemieszczeń pionowych porównano z wynikami pomiarów geodezyjnych rzeczywistych obiektów. Wykonane analizy pozwoliły na wyprowadzenie empirycznego współczynnika αm do wyznaczania modułu ściśliwości lessów z sondowań statycznych CPT, a także zdefiniowanie wytycznych do badań podłoża lessowego. Wykazano, że lessowe podłoże gruntowe, pomimo że makroskopowo wydaje się być jednorodne, w rzeczywistości charakteryzuje się zmienną sztywnością. Udowodniono, że w przypadku lessów wydzielanie warstw geotechnicznych ze stopniem plastyczności IL, jako parametrem wiodącym jest niewystarczające. W lessach należy prowadzić wydzielenia geotechniczne na podstawie sondowań geotechnicznych na przykład CPT/CPTU lub DMT, a za parametr wiodący zaproponowano opór stożka qc. Ponadto wykazano, że osiadania podłoża gruntowego wpływają na pracę budynku i jego odkształcenia, a także rozkład naprężeń w elementach konstrukcyjnych, co powinno być uwzględniane podczas prac projektowych. Szczególnie ważne jest uwzględnianie niejednorodności podłoża przy budynkach rozległych, natomiast przy budynkach wysokich należy uwzględniać etapy nadbudowy kolejnych kondygnacji. Stosowanie zaproponowanego podejścia pozwala na uzyskiwanie bardziej wiarygodnych wyników obliczeń.