Influence of soil backfill parameters on culvert load capacity with accordance to Eurocodes and Sundquist-Pettersson calculating method

• Autorzy: Bakalarz Michał , Kossakowski Paweł Grzegorz , Wciślik Wiktor

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2021.138044

Warianty tytułu

PL

Wpływ wybranych parametrów zasypki inżynierskiej na nośność przepustu według Eurokodów i metody Sundquista-Petterssona

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents analysis of effect of structural soil backfill parameters on load capacity of culvert made as buried flexible steel structure. The work is divided into two parts. The first part is devoted to the assumptions of the Sundquist-Pettersson method. The principles of the analysis of the structure in terms of ultimate limit strength, serviceability and fatigue in permanent and temporary calculation situations are described. The second part presents a design example of a soil steel composite bridge in the form of a closed profile culvert made of MulitiPlate-type corrugated sheet. The static and strength calculations were conducted according to the Sundquist-Pettersson method and the guidelines presented in the Eurocodes. According to the guidelines, the value of the backfill tangent modulus was determined using the simplified (A) and precise (B) methods. It was found that the modulus values determined by the simplified method were about three times lower than for the exact method, leading to very conservative, uneconomical results. The structural calculations using the tangent modulus determined by the simplified method, indicated that the load capacity of the structure was exceeded, regardless of the thickness of the backfill used (in the range from 0.5 to 5 m). The use of the tangent modulus determined using the precise method resulted in a significant reduction in stress to bearing capacity ratio of analysed parameters. Similar reduction was observed with the increase in the thickness of the backfill.

PL

Nośność konstrukcji zespolonych stalowo-gruntowych określana jest przy założeniu współpracy powłoki z otaczającą ją zasypką inżynierską. Wynikiem tej współpracy jest powstanie zjawiska przesklepienia, czyli redukcji nacisku gruntu na powierzchnię ścianki. Aktualnie wiodącą metodą obliczania i wymiarowania tego typu konstrukcji jest metoda Sundquista-Petterssona, w pełni przystosowana do wymagań stawianych przez Eurokody. Przedmiotem pracy jest wykorzystanie metody Sundquista-Petterssona do oceny nośności przepustu o konstrukcji zamkniętej, wykonanego z blachy falistej typu MultiPlate, ze stali gatunku S235J2G3. Określono wpływ wysokości zasypki inżynierskiej oraz modułu stycznego gruntu na wytężenie konstrukcji. Analizie poddano: • w stanach granicznych nośności: mechanizm powstania przegubu plastycznego, przekształcenia konstrukcji w łańcuch kinematyczny, nośność konstrukcji w dolnej części oraz nośność złączy śrubowych ze względu na: ścinanie, rozciąganie, interakcję ścinania i rozciągania; • w stanach granicznych użytkowalności: uplastycznienie ścianki konstrukcji w fazie eksploatacji obiektu; • w stanach granicznych zmęczenia: blachy falistej, złączy śrubowych, ze względu na ścinanie, rozciąganie i ich interakcję. Obliczenia przeprowadzono z wykorzystaniem programów Excel i MathCad. Analiza zmęczenia konstrukcji została przeprowadzona na podstawie uproszczonej metody tzw. współczynników lambda. Zakres zmienności naprężeń od pojedynczego przejazdu uproszczonego modelu obciążenia zmęczeniowego wyznaczono na podstawie metody Sundquista-Petterssona. Następnie zakres ten został zmodyfikowany, poprzez sumowanie składowej rozciągającej oraz 60% składowej ściskającej. Współczynnik równoważności uszkodzeń dla mostów drogowych wyznaczono przy założeniu, że: kategoria ruchu na obiekcie to droga główna z małym udziałem potoku samochodów ciężarowych; czas użytkowania mostu przyjęto jak dla klasy konstrukcji S5 równy 100 lat. Zgodnie z wytycznymi wyznaczono wartość stycznego modułu sztywności zasypki metodą uproszczoną (A) i dokładną (B). Stwierdzono, że wartości modułu wyznaczone metodą uproszczoną były około trzykrotnie niższe niż w przypadku metody dokładnej, prowadząc do bardzo konserwatywnych, nieekonomicznych wyników wymiarowania. W analizowanym przypadku wyniki wymiarowania z zastosowaniem modułu wyznaczonego zgodnie z metodą uproszczoną każdorazowo wskazywały na przekroczenie nośności konstrukcji, niezależnie od zastosowanej grubości zasypki (w zakresie od 0.5 do 5m). Wykorzystanie do wymiarowania modułu stycznego, określonego za pomocą metody dokładnej, powodowało znaczne ograniczenie obliczonego wytężenia konstrukcji. Przepust już dla grubości naziomu nieznacznie przekraczającej 1 m został zaprojektowany poprawnie. Zwiększająca się grubość zasypki inżynierskiej powodowała zazwyczaj zmniejszenie wytężenia - na skutek zmniejszania wartości momentów zginających od obciążeń ruchomych. Wyjątek stanowią warunek nośności dolnej części konstrukcji i nośność na ścinanie złączy śrubowych, których wartości w dużej mierze zależne są od wielkości siły normalnej. Zauważyć należy również, że dla niektórych krzywych po początkowym spadku wytężenia następuje jego wzrost. Przyczyną takiego zachowania jest zmiana znaku maksymalnego momentu zginającego, którego wartość była coraz bardziej zależna od ciężaru warstw gruntu zalegających powyżej klucza konstrukcji. W stanach granicznych nośności dla analizowanego obiektu kluczowymi elementami wpływającymi na zapewnienie nośności przepustu są warunki uwzględniające możliwości powstania mechanizmu przegubu plastycznego w przekroju najbardziej wytężonym oraz przekształcenia konstrukcji w łańcuch kinematyczny. Uplastycznienie ścianki konstrukcji w stanie granicznym użytkowalności stało się istotne w przypadku, gdy moduł styczny gruntu wyznaczono za pomocą metody uproszczonej.

Słowa kluczowe

EN

corrugated sheet; road culvert; soil–steel structure; ground-shell structure; load capacity; composite structure; engineering backfill; Sundquist-Pettersson method

PL

blacha falista; konstrukcja gruntowo-powłokowa; przepust drogowy; nośność; konstrukcja zespolona; konstrukcja stalowo-gruntowa; zasypka inżynierska; metoda Sundquista-Petterssona

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 67, nr 3
• Strony: 77--91
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Bakalarz Michał

• Kielce University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Kielce, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-1906-2175

autor

Kossakowski Paweł Grzegorz

• Kielce University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Kielce, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-7827-4955

autor

Wciślik Wiktor

• University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Kielce, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-6586-5019

Bibliografia

• [1] Cz. Machelski, “Modeling of soil-steel composite bridges” [in Polish], 1nd ed., Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław, 2008.
• [2] A. Wysokowski and L. Janusz, “Soil steel composite bridges. Laboratory destructive testing. Failures during construction and operation” [in Polish], in Proceedings of Conference XXIII Konferencja Naukowo - Techniczna Awarie Budowlane - 23rd International Conference on Structural Failures, Szczecin-Międzyzdroje, 2007, pp. 541-550.
• [3] A. Wysokowski and J. Vaslestadt, “Full scale fatigue testing of large-diameter multi-plate corrugated steel culverts”, Archives of Civil Engineering, vol. 48, no. 1, pp. 31-57, 2002.
• [4] A. Wysokowski, J. Vaslestad and A. Pryga, “Fatigue resistance of modern corrugated steel culverts” [in Polish], Konstrukcje Stalowe, no. 5, pp. 45-47, 2000.
• [5] A. Wysokowski and J. Howis, “Operational durability of steel soil-shell structures as ecological bridges” [in Polish], in Proceedings of Conference XXVII Konferencja Naukowo - Techniczna Awarie Budowlane - 27th International Conference on Structural Failures, Szczecin-Międzyzdroje, 2017, pp. 879-890.
• [6] D. Bęben, “Soil-steel bridge structures design problems and construction faults” [in Polish], Drogownictwo, no. 3, pp. 74-79, 2013.
• [7] Cz. Machelski, L. Korusiewicz, “Deformation of buried corrugated metal box structure under railway load”, Roads and Bridges - Drogi i Mosty, vol. 16, no. 3: pp. 191-201, 2017. https://doi.org/10.7409/rabdim.017.013
• [8] Cz. Machelski, “Steel plate curvatures of soil-steel structures during construction and exploitation”, Roads and Bridges - Drogi i Mosty, vol. 15, no. 3, pp. 207-220, 2016. https://doi.org/10.7409/rabdim.016.013
• [9] L. Korusiewicz, “Verification of the method of estimating bending moments in soil-shell structures on the basis of shell deformation”, Roads and Bridges - Drogi i Mosty, vol. 15, no. 3, pp. 221-230, 2016. https://doi.org/10.7409/rabdim.016.014
• [10] J. Howis and A. Wysokowski, “Culverts in the communication infrastructure - part 9. Methods for calculating culverts - part III. New calculation methods" [in Polish], Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne, no. 5, pp. 72-81, 2010.
• [11] L. Pettersson and H. Sundquist, “Design of soil steel composite bridges”, Trita-BKN, Report 112, 5th Edition, Royal Institute of Technology, Department of Structural Design and Bridges, Stockholm, Sweden, 2014.
• [12] PN-EN 1997-1:2008. Projektowanie geotechniczne. Część 1: Zasady ogólne.
• [13] PN-EN 1997-2:2009. Projektowanie geotechniczne. Część 2: Rozpoznanie i badanie podłoża gruntowego.
• [14] L. Janusz and A. Madaj, “Engineering objects made of corrugated sheets. Design and construction” [in Polish], 1nd ed., Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa, 2007.
• [15] W. Rowińska, A. Wysokowski and A. Pryga, “Design and technological recommendations for engineering structures made of corrugated sheets” [in Polish], 1nd ed., Generalna Dyrekcja Dróg Krajowych i Autostrad, IBDiM, Żmigród, 2004.
• [16] D. Bęben, “Soil-steel bridges. Design, maintenance and durability”, 1nd ed., Springer, Cham, 2020.
• [17] A. Wysokowski and J. Howis, “Culverts in the communication infrastructure - part 1” [in Polish], Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne, no. 2, pp. 52-56, 2008.
• [18] L. Pettersson, “Full scale tests and structural evaluation of soil steel flexible culverts with low height of cover”, PhD Thesis, Royal Institute of Technology, Department of Structural Design and Bridges, Stockholm, Sweden, 2007.
• [19] PN-EN 1993-1-1:2006. Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków.
• [20] L. Pettersson, “Design of soil steel composite bridges according to the Eurocode”, Archives of Institute of Civil Engineering, no. 12, pp. 21-25, 2012.
• [21] PN-EN 1993-1-8:2008. Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-8: Projektowanie węzłów.
• [22] PN-EN 1991-2:2007. Oddziaływania na konstrukcje. Część 2: Obciążenia ruchome mostów.
• [23] PN-EN 1993-1-9:2008. Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-9: Zmęczenie.
• [24] PN-EN 1993-2:2007. Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 2: Mosty stalowe.
• [25] www.viacon.pl (access: November 6, 2020).
• [26] PN-EN 1990:2004. Podstawy projektowania konstrukcji.
• [27] P. G. Kossakowski, “Fatigue Strength of an Over One Hundred Year Old Railway Bridge”, Baltic Journal of Road and Bridge Engineering, vol. 8, no. 3, pp. 166-173, 2013. https://doi.org/10.3846/bjrbe.2013.21
• [28] P. G. Kossakowski, “Influence of Initial Porosity on Strength Properties of S235JR Steel at Low Stress Triaxiality”, Archives of Civil Engineering, vol. 58, no. 3, pp. 293-308, 2021. https://doi.org/10.2478/v.10169-012-0017-9
• [29] P. G. Kossakowski, “Experimental Determination of the Void Volume Fraction For S235JR Steel at Failure in the Range of High Stress Triaxialities”, Archives of Metallurgy and Materials, vol. 62, no. 1, pp. 167-172, 2017. https://doi.org/10.1515/amm-2017-0023
• [30] P. G. Kossakowski, “Analysis of the Void Volume Fraction For S235JR Steel at Failure for Low Initial Stress Triaxiality”, Archives of Civil Engineering, vol. 64, no. 1, pp. 101-115, 2018. https://doi.org/10.2478/ace-2018-0007
• [31] P. G. Kossakowski, “Application of Damage Mechanics for Prediction of Failure of Structural Materials and Elements”, DEStech Transactions on Computer Science and Engineering, pp. 62-72, 2020. https://doi.org/10.12783/dtcse/msam2020/34228
• [32] E. Bernatowska, “Numerical Simulations of Ductile Fracture in Steel Angle Tension Members Connected with Bolts”, Civil and Environmental Engineering Reports, vol. 30, no. 2, pp. 32-54, 2020. https://doi.org/10.2478/ceer-2020-0018

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).