Numerical analysis of the influence of mining ground deformation on the structure of a masonry residential building

• Autorzy: Szojda Leszek , Kapusta Łukasz

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2021.138054

Warianty tytułu

PL

Analiza numeryczna wpływu deformacji podłoża górniczego na konstrukcję murowanego budynku mieszkalnego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents numerical analysis of a typical residential building in the Upper Silesian Coal Basin, which was erected in the early twentieth century and was not protected against mining ground deformations. The greatest impact of ground deformation on buildings are ground horizontal strain ε and ground curvature K. Numerical calculations included the building and the ground to take into account the effect of soilstructure interaction. The structure of the analysed building was made of masonry with wooden ceiling and roof elements. The ground was implemented as a layer 3.0m below the foundations and 3.0 m outside the building's projection. Construction loads are divided into two stages - permanent and functional loads as well as ground mining deformation. The maximum convex curvature K+ and the horizontal strain of the substrate ε+ were achieved in the 8th load step. The results of the analyses were presented in the form of stress and deformation maps. The most important results are the magnitude of the main tensile stresses σmax, which could to create cracks in the structure may occur after exceeding the tensile strength ft of the material. The presented method can be used to the analysis of endangered building objects by mining ground deformations.

PL

Starzejąca się struktura zabudowy miast w rejonach eksploatacji górniczej wpływa znacznie na zwiększenie kosztów naprawy uszkodzeń obiektów powierzchni. Prognozowanie zachowania się budynków pod wpływem deformacji podłoża w przypadku, gdy nie są one do tego przystosowane staje się bardzo istotne z punktu widzenia bezpieczeństwa tych konstrukcji. Stało się to przyczyną przedstawienia przykładu analizy numerycznej typowego budynku mieszkalnego obszaru Górnego Śląska, który powstał w początkach XX wieku i nie był przystosowany do przeniesienia górniczych deformacji terenu. W celu dokładnego odwzorowania zachowania się obiektu pod wpływem deformującego się podłoża przeprowadzono analizę układu budowla - podłoże, w tym przypadku górnicze. Autorzy, posiadając wiedzę kiedy oraz w jakim obszarze będą ujawniały się osiadania na skutek wyeksploatowanej ściany, zastabilizowali układ punktów pomiarowych w najbliższym sąsiedztwie budynku oraz na ścianach podłużnych budynku. Wyniki pomiarów poziomych i pionowych przemieszczeń posłużył do ich wprowadzenia w modelu obliczeniowym. Zgodnie z teoriami prognozowania górniczych deformacji terenu typu ciągłego największy wpływ na budynki mają poziome deformacje podłoża i krzywizna terenu K. Charakterystyki przebiegów tych zmiennych przyjęto wg teorii Knothego. Wpływy te należy rozważać jako dodatkowe obciążenia budynku, ale nie należy ich przykładać bezpośrednio do konstrukcji, lecz jako odkształcenia podłoża. Z tego powodu obliczenia numeryczne objęły budynek oraz bryłę podłoża aby uwzględnić efekt współpracy budowla-podłoże. Konstrukcja budynku była murowana z drewnianymi elementami stropów i dachu, które ze względu na znikomy wpływ sztywność pominięto w obliczeniach numerycznych. Bryła podłoża została tak dobrana, że obejmowała warstwę o grubości 3,0 m poniżej fundamentów oraz 3,0 m na zewnątrz rzutu budynku. Pionowe i poziome powierzchnie bryły gruntu zostały podparte przegubowo w kierunku prostopadłym do ich powierzchni. Analizę numeryczną wykonano przy użyciu pakietu programów Atena i dla każdego z materiałów układu wprowadzono odpowiedni model materiałowy - dla gruntu model Druckera-Pragera, a dla elementów murowych model sprężysto-plastyczny opisany w pakiecie jako ‘cemetitous’, który wykorzystuje powierzchnię graniczną przedstawioną przez Willama-Warnke. Obciążenia konstrukcji podzielono na kilka etapów. W pierwszym etapie przyłożono obciążenia stałe i użytkowe budynku (3 kroki obliczeniowe), a w drugim deformacje podłoża. Odwzorowano przejście wypukłej części krawędzi niecki górniczej, które podzielono na 10 kroków obciążeniowych. Powstania maksymalnej krzywizny wypukłej K+ i odkształcenia podłoża ε+ osiągnięto w 8 kroku obciążeniowym, a powrót do stanu początkowego w 13. Wyniki analiz przedstawiono w postaci barwnych map naprężeń. Najistotniejsze wyniki to wielkość głównych naprężeń rozciągających, w zależności od których mogą powstawać zarysowania konstrukcji po przekroczeniu wytrzymałości na rozciąganie. Na mapach wyraźne ich koncentracje pojawiają się w górnej części ścian konstrukcji oraz w narożach otworów okiennych i drzwiowych. Jest to zgodne z obserwacjami na obiektach, które zostały poddane takim deformacjom. Przedstawiony sposób może zostać wykorzystany w szczegółowym podejściu do analizy zagrożonych obiektów budowlanych.

Słowa kluczowe

EN

masonry structure; numerical analysis; mining impact; mining area; subsidence; curvature; horizontal strain; residential building

PL

konstrukcja murowa; analiza numeryczna; oddziaływanie górnicze; teren górniczy; osiadanie; krzywizna; odkształcenie poziome; zabudowa miejska

• 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: 243--257
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Szojda Leszek

• Silesian University of Technology, Department of Structural Engineering, Gliwice, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-9919-6263

autor

Kapusta Łukasz

• University of Technology, Department of Environmental, Geomatic and Energy Engineering, Kielce, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-4842-135X

Bibliografia

• [1] Ochrona powierzchni przed szkodami górniczymi, Group work, Publishing House Śląsk; 1980.
• [2] J. Rusek, L. Słowik, K. Firek, M. Pitas, “Determining the Dynamic Resistance of Existing Steel Industrial Hall Structures for Areas with Different Seismic Activity”. Archives of Civil Engineering LXVI(4): 2020; pp. 525-542; https://doi.org/10.24425/ace.2020.135235.
• [3] J. Rusek, W. Kocot, “Proposed Assessment of Dynamic Resistance of the Existing Industrial Portal Frame Building Structures to the Impact of Mining Tremors”. 2017 IOP Conference Series Materials Science and Engineering; 245(3):032020; https://doi.org/10.1088/1757-899X/245/3/032020.
• [4] J. Rusek, K. Tajduś, K. Firek, A. Jędrzejczyk, “Bayesian networks and Support Vector Classifier in damage risk assessment of RC prefabricated building structures in mining areas”. 2020 5th International Conference on Smart and Sustainable Technologies (SpliTech); DOI: 10.23919/SpliTech49282.2020.9243718
• [5] Y. Jiang, R. Misa, K. Tajduś, A. Sroka, Y. Jiang, “A new prediction model of surface subsidence with Cauchy distribution in the coal mine of thick topsoil condition”. Archives of Mining Sciences 65(1): 2020; pp. 147-158; https://doi.org/10.24425/ams.2020.132712.
• [6] A. Sroka, S. Knothe, K. Tajduś, R Misa., “Point Movement Trace Vs. The Range Of Mining Exploitation Effects In The Rock Mass”. Archives of Mining Sciences, Vol. 60 (2015), No 4, pp. 921-929; https://doi.org/10.1515/amsc-2015-0060
• [7] K. Tajduś, “Analysis of horizontal displacement distribution caused by single advancing longwall panel excavation”. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 1(4) 2015; https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2015.03.012.
• [8] R. Bals, “Beitrag zur Frage der Vorausberechnung bergbaulicher Senkungen. Mitteilungen aus dem Markscheidewese”. Verlag Konrad Witter. Stuttgart; 1931/32.
• [9] Knothe S., „Równanie profilu ostatecznie wykształconej niecki osiadania”, Archiwum Górnictwa i Hutnictwa, 1953, t.1, z.1.
• [10] W. Ehrhard, A. Sauer, “Die Vorausberechnung von Senkung, Schieflage und Krummung uber dem Abbau in flacher Lagerung”. Bergbau-Wissenschaften, 1961.
• [11] K. Tajduś, “Numerical Simulation of Underground Mining Exploitation Influence Upon Terrain Surface”. Archives of Mining Sciences 58(3) 2013; https://doi.org/10.2478/amsc-2013-0042.
• [12] M. Cała, J. Flisiak, A. Tajduś, „Wpływ niepodsadzkowych wyrobisk przyszybowych na deformacje powierzchni. Człowiek i środowisko wobec procesu restrukturyzacji górnictwa węgla kamiennego”. Biblioteka Szkoły eksploatacji Podziemnej, 2001, nr 6.
• [13] K. Tajduś, S. Knothe, A. Sroka, R. Misa, “Underground exploitations inside safety pillar shafts when considering the effective use of a coal deposit”. Gospodarka Surowcami Mineralnymi 31(3): 2015; pp. 93-110; https://doi.org/10.1515/gospo-2015-0027.
• [14] Z. Budzianowski, „Działanie wygiętego podłoża na sztywną budowlę znajdującą się w obszarze eksploatacji górniczej”. Inżynieria i Budownictwo, 1964, nr 6 i 7.
• [15] O. Deck, M. Al Heib, F. Homand, “Taking the soil-structure interaction into account in assessing the loading of a structure in a mining subsidence area”. Engineering Structures 2003; 25, pp. 435-448; https://doi.org/10.1016/S0141-0296(02)00184-0
• [16] A. Saeidi, O. Deck, T. Verdel, “Development of building vulnerability functions in subsidence regions from empirical methods”. Engineering Structures 2009; 31 (10), pp. 2275-2286; https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2009.04.010
• [17] J. Kwiatek, “Protection of construction objects in mining areas”. Publishing House of Central Mining Institute, Katowice, (in Polish) 1997; p. 726.
• [18] J. Kwiatek, “Construction facilities on mining areas”. Wyd. GiG Katowice (in Polish), 2007; p. 266.
• [19] L. Szojda, “Numerical analysis of the influence of non-continuous ground displacement on masonry structure”. Silesian University of Technology Publishing House, Gliwice, Monography (in Polish), p. 194; 2009.
• [20] D. Mrozek, M. Mrozek, J. Fedorowicz, “The protection of masonry buildings in a mining area”. Procedia Engineering 193 International Conference on Analytical Models and New Concepts in Concrete and Masonry Structures AMCM’2017, pp.184-191; https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.06.202
• [21] R. Misa, K. Tajduś, A. Sroka, “Impact of geotechnical barrier modelled in the vicinity of a building structures located in mining area”. Archives of Mining Sciences 2018; no 4, vol. 63 Kraków, pp. 919-933; https://doi.org/10.24425/ams.2018.124984
• [22] A. Sroka, R. Misa, K. Tajduś, M. Dudek, “Analytical design of selected geotechnical solutions which protect civil structures from the effects of underground mining”. https://doi.org/10.1016/j.jsm.2018.10.002
• [23] L. Szojda, Ł. Kapusta, “Evaluation of the elastic model of a building on a curved mining ground based on the result of geodetic monitoring”. Archives of Mining Sciences 65(2): 2020; pp. 213-224, https://doi.org/10.24425/ams.2020.133188
• [24] L. Szojda, G. Wandzik, “Discontinuous terrain deformation - forecasting and consequences of their occurrence for building structures”. 29th International Conference on Structural Failures, 2019, art. no. 03010 pp. 1-12, https://doi.org/10.1051/matecconf/201928403010
• [25] L. Szojda, „Analiza numeryczna zmian naprężeń w konstrukcji ściany wywołanych nieciągłymi deformacjami podłoża górniczego”. Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury, 2017 t. 34 z. 64, nr 3/I, p. 511-522, https://doi.org/10.7862/rb.2017.142
• [26] V. Červenka, L. Jendele, J. Červenka, “ATENA Program documentation”. Part 1, Theory, Prague, 2016, p. 330.