Dynamisk finita element-analys av vibrodriven spontplanka
(2019) In TVGT-5000 VGTM01 20191Geotechnical Engineering
Department of Construction Sciences
- Abstract (Swedish)
- Stödkonstruktioner används när schakter blir för djupa för att vara självbärande eller när slänter inte kan användas av utrymmesskäl. Det finns flera olika lösningar för stödkonstruktioner och en av de vanligast förekommande är stålspont. Merparten av all stålspont i Sverige installeras med hjälp av vibratorer, huvudsakligen på grund av dess kostnadseffektivitet, höga neddrivningshastighet och låga omgivningspåverkan jämfört med slagdrivning. Moderna vibratorer är tillräckligt kraftfulla för att buckla eller förstöra spontfoten. Detta examensarbete syftar till att analysera kraftspelet som uppkommer mellan spontfoten och jorden vid hård drivning, det vill säga drivning genom en hård morän eller mot ett granitblock, genom användning av en... (More)
- Stödkonstruktioner används när schakter blir för djupa för att vara självbärande eller när slänter inte kan användas av utrymmesskäl. Det finns flera olika lösningar för stödkonstruktioner och en av de vanligast förekommande är stålspont. Merparten av all stålspont i Sverige installeras med hjälp av vibratorer, huvudsakligen på grund av dess kostnadseffektivitet, höga neddrivningshastighet och låga omgivningspåverkan jämfört med slagdrivning. Moderna vibratorer är tillräckligt kraftfulla för att buckla eller förstöra spontfoten. Detta examensarbete syftar till att analysera kraftspelet som uppkommer mellan spontfoten och jorden vid hård drivning, det vill säga drivning genom en hård morän eller mot ett granitblock, genom användning av en transient tredimensionell finita element-modell (FE-modell). Det långsiktiga målet är att etablera ett stoppkriterium baserat på en mätbar fysikalisk storhet i syfte att förhindra att spontfoten skadas vid hård drivning.
För att fullt ut fånga dynamiken hos drivningssystemet skulle själva vibratorn behöva inkluderas i modellen. Komplexiteten i en sådan modell skulle dock begränsa dess praktiska användbarhet. För att undvika att modellera vibratorn så föreslås en enkel enfrihetsgradsmodell för att uppskatta kraften som vibratorn levererar i sponthuvudet med hänsyn till elasticitet både i spontplankan och jorden/blocket. Resultatet från denna analytiska modell antyder att vibratorn inte förmår leverera mer än cirka 60% av dess uppgivna centrifugalkraft när spontplankan drivs mot ett granitblock och ännu lägre vid drivning i en morän.
Resultaten från FE-modellen antyder att lasten från vibratorn ökar med en faktor 1,6–1,8 i spontfoten på grund av stötförloppet som uppkommer. Ingen av analyserna indikerar brott enligt det ansatta brottvillkoret (buckling) men granitanalysen visar på begränsad plastisk töjning i flänsarna. Den typiska sinusformade moden som förväntas vid buckling kan också ses, speciellt i granitanalysen. Något plötsligt bortfall av bärförmåga kan dock inte observeras. Den vertikala accelerationen, beräknad i spontfoten, ökar med högre styvhet på jorden/blocket. En anmärkningsvärd förändring i accelerationens utseende mellan moränanalyserna och granitanalysen kan observeras vilket antyder att den relativt välkända akustiska indikationen för problem (när spontfoten träffar ett block) reproduceras i analyserna. En parameterstudie på den laterala bäddmodulen (det laterala stödet i modellen) har också gjorts, resultaten pekar på att risken för knäckning är mycket liten och att bäddmodulens inverkan på kontaktkraften mellan jorden och spontfoten är försumbart liten. (Less) - Abstract
- Retaining structures are used when excavations are too deep to be self-supporting or when slopes cannot be used because of spatial constraints. There are a multitude of different types of retaining structures and one very common type is sheet piling. Most sheet pile walls in Sweden are installed by means of vibratory driving, mainly due to its cost-effectiveness, speed and low levels of disturbance compared to impact driving. Modern vibrators are capable of delivering a driving force large enough to buckle or even destroy the sheet pile toe. This thesis aim to analyse the interaction between the sheet pile toe and the soil under hard driving circumstances, i.e. driving through a hard till or against a granite boulder, by means of a... (More)
- Retaining structures are used when excavations are too deep to be self-supporting or when slopes cannot be used because of spatial constraints. There are a multitude of different types of retaining structures and one very common type is sheet piling. Most sheet pile walls in Sweden are installed by means of vibratory driving, mainly due to its cost-effectiveness, speed and low levels of disturbance compared to impact driving. Modern vibrators are capable of delivering a driving force large enough to buckle or even destroy the sheet pile toe. This thesis aim to analyse the interaction between the sheet pile toe and the soil under hard driving circumstances, i.e. driving through a hard till or against a granite boulder, by means of a transient 3D finite element model (FE-model). The long term aim is to establish stopping criteria based on some measurable physical parameter to prevent damaging the sheet pile toe in hard driving circumstances.
To fully capture the dynamics of the driving system the vibratory driving unit should be included in the model. However, the complexity of such a model would limit its usefulness in a real-world application. In order to exclude the vibrator from the FE-model a simple single-degree-of-freedom (SDOF) model is proposed to estimate the driving force exerted by the vibrator on the sheet pile with respect to elasticity in both the soil/boulder and the sheet pile. The results from this analytical model suggest that the vibrator is not capable of delivering more than about 60\% of its specified centrifugal force when the sheet pile is driven against granite and even lower when driven through glacial till.
The results from the FE-model suggest that the load from the vibrator at the sheet pile toe is magnified by a factor ranging between 1.6 and 1.8 due to shock loading. None of the analyses indicate failure in accordance with the set failure criterion (local buckling), however the granite analysis results in limited plastic strain in both of the flanges. The typical sinusoidal buckling mode can also be seen, especially in the granite analysis, although no sudden loss of load bearing capacity can be observed. The vertical acceleration, calculated at the sheet pile toe, increases in magnitude as the stiffness of the soil increases. A significant change between the glacial till analyses and the granite analysis in the appearance of the acceleration can be observed, suggesting that the rather well-known audible indication of problem (i.e. the sheet pile toe has struck a boulder) is reproduced in the analyses. A parameter study on the lateral support was also conducted. The results indicate that the risk of global buckling is very small and that the support stiffness has a negligible effect on the contact force between the soil and the sheet pile toe. (Less) - Popular Abstract (Swedish)
- Stålspont är ett exempel på en stödkonstruktion som används vid grundläggningsarbete som fordrar större schakter och som inte kan säkras genom användning av slänter. Merparten av all stålspont drivs med vibrator i Sverige. Moderna vibratorer är tillräckligt kraftfulla för att driva sönder spontfoten. I detta examensarbete analyserades vad som sker i kontakten mellan spontfot och jord under hård drivning i fast lagrad friktionsjord eller mot ett granitblock.
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/8976403
- author
- Tebäck, Rasmus LU
- supervisor
- organization
- course
- VGTM01 20191
- year
- 2019
- type
- H3 - Professional qualifications (4 Years - )
- subject
- keywords
- Finita elementmetoden, dynamisk, geoteknik, spont, stödkonstruktioner
- publication/series
- TVGT-5000
- report number
- TVGT-5066
- ISSN
- 0349-4977
- language
- Swedish
- id
- 8976403
- alternative location
- http://www.geoteknik.lth.se/english/publications/tvgt-5000/
- date added to LUP
- 2019-06-04 11:41:33
- date last changed
- 2019-06-04 11:41:33
@misc{8976403,
abstract = {{Retaining structures are used when excavations are too deep to be self-supporting or when slopes cannot be used because of spatial constraints. There are a multitude of different types of retaining structures and one very common type is sheet piling. Most sheet pile walls in Sweden are installed by means of vibratory driving, mainly due to its cost-effectiveness, speed and low levels of disturbance compared to impact driving. Modern vibrators are capable of delivering a driving force large enough to buckle or even destroy the sheet pile toe. This thesis aim to analyse the interaction between the sheet pile toe and the soil under hard driving circumstances, i.e. driving through a hard till or against a granite boulder, by means of a transient 3D finite element model (FE-model). The long term aim is to establish stopping criteria based on some measurable physical parameter to prevent damaging the sheet pile toe in hard driving circumstances.
To fully capture the dynamics of the driving system the vibratory driving unit should be included in the model. However, the complexity of such a model would limit its usefulness in a real-world application. In order to exclude the vibrator from the FE-model a simple single-degree-of-freedom (SDOF) model is proposed to estimate the driving force exerted by the vibrator on the sheet pile with respect to elasticity in both the soil/boulder and the sheet pile. The results from this analytical model suggest that the vibrator is not capable of delivering more than about 60\% of its specified centrifugal force when the sheet pile is driven against granite and even lower when driven through glacial till.
The results from the FE-model suggest that the load from the vibrator at the sheet pile toe is magnified by a factor ranging between 1.6 and 1.8 due to shock loading. None of the analyses indicate failure in accordance with the set failure criterion (local buckling), however the granite analysis results in limited plastic strain in both of the flanges. The typical sinusoidal buckling mode can also be seen, especially in the granite analysis, although no sudden loss of load bearing capacity can be observed. The vertical acceleration, calculated at the sheet pile toe, increases in magnitude as the stiffness of the soil increases. A significant change between the glacial till analyses and the granite analysis in the appearance of the acceleration can be observed, suggesting that the rather well-known audible indication of problem (i.e. the sheet pile toe has struck a boulder) is reproduced in the analyses. A parameter study on the lateral support was also conducted. The results indicate that the risk of global buckling is very small and that the support stiffness has a negligible effect on the contact force between the soil and the sheet pile toe.}},
author = {{Tebäck, Rasmus}},
issn = {{0349-4977}},
language = {{swe}},
note = {{Student Paper}},
series = {{TVGT-5000}},
title = {{Dynamisk finita element-analys av vibrodriven spontplanka}},
year = {{2019}},
}