Butnarciuc Natalia

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUC

Titularul prezentei teze de doctorat a beneficiat pe întreaga perioadă a

studiilor universitare de doctorat de bursă atribuită prin proiectul strategic

„Burse oferite doctoranzilor în Ingineria Mediului Construit”

UTCB, cod POSDRU/107/1.5/S/768

Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane,

Structurale Europene, din Bugetul Naţional şi cofinanţat de către Univeritatea

Tehnică de Construcții Bucure

TEZ

EVALUAREA COMPORTĂRII GEOCOMPOZITELOR UTILIZATE LA

ARMAREA PLATFORMELOR DE LUCRU

Doctorand ing. Natalia BUTNARCIUC

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCURE

Facultatea de Hidrotehnică



„Burse oferite doctoranzilor în Ingineria Mediului Construit”

/107/1.5/S/76896, proiect derulat în cadrul

Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane, finanţat din Fondurile


ii București.

TEZĂ DE DOCTORAT

Rezumat



Natalia BUTNARCIUC

Conducător de doctorat prof.univ.dr.ing. Loretta BATALI

BUCUREŞTI 2013

II BUCUREȘTI



„Burse oferite doctoranzilor în Ingineria Mediului Construit”, beneficiar

derulat în cadrul Programului

finanţat din Fondurile




Conducător de doctorat prof.univ.dr.ing. Loretta BATALI

CUPRINS

1. INTRODUCERE ............................................................................................................................................................ 1

2. SINTEZĂ BIBLIOGRAFICĂ ASUPRA ARMĂRII PLATFORMELOR DE LUCRU .......................................... 2

2.1 MATERIALE GEOSINTETICE CU FUNCȚIE DE ARMARE ...................................................................................................................... 2

2.2 CAPACITATEA PORTANTĂ A TERENURILOR DE FUNDARE ............................................................................................................... 2

2.3 ALCĂTUIREA PLATFORMELOR DE LUCRU .......................................................................................................................................... 2

2.4 PROIECTAREA PLATFORMELOR DE LUCRU ........................................................................................................................................ 3

2.5 MODELARE NUMERICĂ ......................................................................................................................................................................... 4

2.6 MODELARE ANALITICĂ ......................................................................................................................................................................... 4

2.7 CONCLUZII .............................................................................................................................................................................................. 4

3. POLIGON EXPERIMENTAL IN-SITU ..................................................................................................................... 5

3.1 DESCRIEREA LUCRĂRII ȘI A AMPLASAMENTULUI ............................................................................................................................. 5

3.2 ECHIPAMENTE ....................................................................................................................................................................................... 5

3.3 CARACTERIZAREA GEOTEHNICĂ A AMPLASAMENTULUI.................................................................................................................. 5

3.4 CARACTERISTICILE GEOCOMPOZITULUI DE ARMARE ....................................................................................................................... 6

3.5 INSTRUMENTARE ȘI METROLOGIE ...................................................................................................................................................... 5

3.6 INTERPRETAREA REZULTATELOR MONITORIZĂRII .......................................................................................................................... 7

3.7 CONCLUZII .............................................................................................................................................................................................. 8

4. MODELAREA NUMERICĂ A EXPERIMENTULUI IN-SITU............................................................................... 9

4.1 INTRODUCERE ........................................................................................................................................................................................ 9

4.2 DESCRIEREA PROGRAMULUI DE CALCUL FOLOSIT ............................................................................................................................ 9

4.3 MODELUL NUMERIC AL PLATFORMEI DE LUCRU .............................................................................................................................. 9

4.4 REZULTATELE MODELĂRII NUMERICE ............................................................................................................................................ 10

4.5 VALIDAREA MODELULUI NUMERIC PE BAZA REZULTATELOR EXPERIMENTULUI IN-SITU ....................................................... 11

4.6 CONCLUZII ........................................................................................................................................................................................... 11

5. STUDIU ASUPRA CAPACITĂȚII PORTANTE A PLATFORMELOR DE LUCRU ARMATE .....................12

5.1 INTRODUCERE ..................................................................................................................................................................................... 12

5.2 STUDIU PARAMETRIC NUMERIC ASUPRA CAPACITĂȚII PORTANTE A PLATFORMELOR DE LUCRU .......................................... 12

5.3 REZULTATELE STUDIULUI PARAMETRIC NUMERIC ....................................................................................................................... 12

5.4 STUDIU ANALITIC ASUPRA CAPACITĂȚII PORTANTE A PLATFORMELOR DE LUCRU .................................................................. 13

5.5 COMPARAȚIILE ÎNTRE MODELELE NUMERICE ȘI CELE ANALITICE PENTRU CAPACITATEA PORTANTĂ A PLATFORMELOR DE

LUCRU ARMATE .......................................................................................................................................................................................... 13

5.6 CONCLUZII ........................................................................................................................................................................................... 14

6. ANALIZA CRITICĂ A METODELOR CURENTE DE PROIECTARE ...............................................................14

6.1 ANALIZA METODELOR CURENTE DE PROIECTARE ......................................................................................................................... 14

6.2 PROPUNERI DE ÎMBUNĂTĂȚIRE A METODELOR CURENTE DE PROIECTARE .............................................................................. 15

7. CONCLUZII, CONTRIBUŢII PERSONALE ȘI DIRECŢII PENTRU CERCETĂRI VIITOARE ....................16

7.1 CONCLUZII ........................................................................................................................................................................................... 16

7.2 CONTRIBUTII PERSONALE ................................................................................................................................................................. 17

7.3 DIRECTII PENTRU CERCETĂRI VIITOARE ........................................................................................................................................ 17

8. BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ ...................................................................................................................................17

Ing. Natalia Butnarciuc Rezumat teză de doctorat

1

1. INTRODUCERE În domeniul ingineriei civile, în multe cazuri, lucrările inginerești sunt construite pe terenuri

slabe, acest lucru rezultând într-o capacitate portantă scăzută sau tasări importante. Prin urmare, pot apărea deteriorări structurale, reduceri ale durabilității și/sau micșorări ale nivelului de performanță a construcțiilor sau lucărilor inginerești. O soluție avantajoasă o reprezintă înglobarea materialelor geosintetice în aceste terenuri slabe, alegerea acestora realizându-se în funcție de necesitățile structurii.

Conceptul terenurilor armate se bazează pe preluarea eforturilor de tracțiune de către armătură prin interacțiunea cu terenul datorată frecării, adeziunii şi încleștării dintre cele două materiale. În ultimii ani nișa terenurilor armate cu materiale geosintetice câștigă din ce în ce mai multă atenție din partea cercetătorilor și specialiștilor în ingineria geotehnică. Domeniile de aplicare ale pământului armat sunt multiple : structuri de sprijin, ramblee, pante abrupte sau fundații pe terenuri slabe. In acest ultim caz, avantajele înglobării armăturii geosintetice în teren au fost larg recunoscute. S-au publicat multe teorii privind modul de cedare a terenului armat, însă comportarea armăturii geosintetice și mecanismul de cedare a structurii armate nu este pe deplin înțeles. În comparație cu alte domenii de utilizare ale materialelor geosintetice, dezvoltarea subdomeniului de armare a terenurilor pentru fundații de suprafață este un proces mai lent. Astfel, este importantă investigarea și cercetarea domeniului și ințelegerea mecanismului de armare a terenurilor pentru fundații de suprafață.

Unele dintre structurile care sunt frecvent fundate pe terenuri slabe sau mediocre sunt platformele de lucru ale macaralelor sau altor utilaje grele, pentru care sunt impuse toleranțe severe în ceea ce priveste deformațiile terenului de fundare.

Nevoia acută de reglementări în acest domeniu de nișă a dus la elaborarea în anul 2004 de către British Research Establishment a unui ghid de proiectare, denumit „BR470 Working platforms for tracked plant”. Acest ghid este aplicat în toate țările din Europa, fiind baza proiectării la ora actuală a platformelor de lucru, el cuprinzând recomandări pentru proiectare, instalare, mentenanță și reparație a platformelor de lucru pentru utilaje instalate pe terenuri coezive și necoezive. Însă, fenomenul conlucrării nefiind pe deplin înțeles și valorificat analitic, calculul capacității portante a sistemului teren natural-piatră spartă-geogrilă este simplist, introducând coeficienți acoperitori, ceea ce, după părerea mai multor specialiști din domeniu, subestimează capacitatea portantă a sistemului compozit și, în consecință, rezultă o grosime a stratului de piatră spartă (materialul platformei) mult mai mare decât cea necesară.

Pe plan internațional există în prezent multiple preocupări actuale în acest domeniu, în scopul îmbunătățirii metodelor de proiectare a platformelor de lucru ranforsate şi realizării unei dimensionări mai puțin conservatoare.

Teza de doctorat şi-a propus, în acest context general de preocupări, ca obiectiv general, evaluarea metodei actuale de proiectare a platformelor de lucru din Europa, respectiv BR470 (2004).

Metoda de lucru aleasă a fost modelarea numerică, scopul fiind realizarea unui model numeric fiabil cu care să poată fi studiat modul de comportare al platformelor de lucru realizate din materiale granulare, ranforsate, amplasate pe terenuri slabe sau mediocre. Pentru a putea valida acest model numeric s-a realizat un poligon experimental pentru care s-au înregistrat valori ale presiunilor şi deformațiilor în platformă şi în geosinteticul de armare. A rezultat astfel un model numeric fiabil, validat experimental. Înainte de verificarea metodei actuale de dimensionare a platformelor de lucru s-a realizat un studiu parametric numeric asupra capacității portante a structurilor stratificate armate, pentru a putea cuantifica diferențele ce se obțin prin aceste două metode.

Cercetările au fost realizate în cooperare cu Naue România, Naue Germania şi BBG Germania, care au inițiat aceste lucrări şi au finanțat poligonul experimental.

Pe parcursul elaborării tezei de doctorat autorul a beneficiat de un stagiu finanțat din proiectul POSDRU/107/1.5/S/76896, timp de 7 luni, la Universitatea Tehnică din Clausthal, Germania, unde autorul a elaborat partea de modelare numerică.

Teza abordează problema armării cu materiale geosintetice a terenurilor de fundare a platformelor de lucru prin trei metode: experiment la scară reală, modelare numerică şi analitică.


2

2. SINTEZĂ BIBLIOGRAFICĂ ASUPRA ARMĂRII PLATFORMELOR DE LUCRU

2.1 Materiale geosintetice cu funcție de armare Materialele geosintetice sunt produse cu structură plană, realizate din diverse materiale

polimerice, care sunt utilizate în domeniul ingineriei civile, îndeplinind funcții de separare, armare, filtrare, drenare, etanşare, protecție anti-erozională sau de container.

Cu rol de armare, materialele geosintetice sunt utilizate pentru a prelua eforturile de întindere pe care pământul nu le poate prelua, prin mecanisme cum sunt frecarea sau încleştarea. Cu funcție de armare se utilizează geotextile țesute, geogrile sau geocompozite de armare. Încleştarea apare în cazul geogrilelor înglobate în material granular, elementele granulare pătrunzând în ochiurile geogrilelor. În cazul armăturilor continui introduse în materiale coezive poate apare şi o adeziune. În Figura 2.1 este ilustrat principiul de funcționare al armăturilor geosintetice introduse în teren.

a b

Figura 2.1 Principiul de funcționare al armăturilor geosintetice introduse în pământ: a-frecare, b-încleștare (Găzdaru et al., 1999)

2.2 Capacitatea portantă a terenurilor de fundare Terenul de fundare trebuie să susțină toate lucrările inginerești amplasate pe acesta, fără a

ceda, prezentând tasări acceptabile pentru fiecare structură în parte. Cedarea terenurilor se poate împărți în trei categorii: cedare generală, cedare locală și cedare prin poansonare.

În acest capitol sunt descrise pe scurt cele trei tipuri de cedare a terenului de fundare, precum si teoriile referitoare la acestea.

Majoritatea teoriilor clasice ce tratează subiectul capacității portante a pământurilor pornesc de la ipoteza că aceste pământuri sunt omogene și se extind pe o adâncime mare sub fundație. În realitate însă, terenurile nu sunt întotdeauna omogene, se pot întâlni straturi cu parametri de rezistență mai buni sau mai slabi.

În ultimele decenii au fost prezentate numeroase studii ce tratează problema capacității portante a terenurilor stratificate. Au fost luate în considerare două cazuri: stratul superior mai rezistent pe un strat mai slab și invers. Pentru primul caz, dacă grosimea stratului superior este relativ mică, atunci la o încărcare ultimă terenul din stratul superior mai rezistent poansonează în stratul inferior mai slab (Meyerhoff și Hanna, 1978). La limită, forma suprafeței de cedare în stratul superior este parabolică. Calculul suprafeței parabolice de cedare este foarte complex, de aceea, ipoteza simplificată de calcul a acesteia presupune două plane verticale ce pornesc de la marginile fundației, (Meyerhof, 1974).

2.3 Alcătuirea platformelor de lucru Platformele de lucru sunt structuri geotehnice temporare (în unele cazuri permanente) care

asigură o suprafață stabilă pentru utilajele de construcții grele și foarte grele. Motivul principal al realizării platformelor de lucru este asigurarea securității și sănătății

muncii; accidentele din ultimii ani cu răsturnări de macarale pe șantiere au condus la creșterea importanței realizării unor platforme de lucru stabile. De obicei, platformele de lucru sunt realizate dintr-un strat de material granular (piatră spartă) de grosime specificată pentru ca presiunile transmise terenului natural slab să nu depășească capacitatea portantă a acestuia. Una dintre soluțiile actuale este utilizarea materialelor geosintetice pentru armare. Distribuția încărcărilor statice și dinamice se va realiza mai uniform, iar cantitatea de material granular va fi redusă substanțial, salvând astfel o parte din resursele naturale. În multe cazuri, o platformă de lucru bine realizată sporește performanțele execuției construcției.

Înglobarea materialelor geosintetice în structura platformelor de lucru pentru utilaje poate să fie o soluție mai economică față de cea care presupune utilizarea unui strat mai mare de material


3

granular. În general, materialul geosintetic se dispune între terenul natural și materialul granular. Geotextilele sunt folosite cu rol de separare și drenare, în timp ce geogrilele au rolul de armare propriu-zisă. Rezistența la tracțiune a geosinteticelor folosite trebuie să respecte cerințele de performanță ale proiectării. Datorită ductilității polimerilor, ruperea prin fluaj poate să apară la valori foarte mari de deformații, iar în proiectare trebuie utilizate rezistențele corespunzătoare deformațiilor mai mici.

În componența unei platforme de lucru armate intră două terenuri: natural, materialul granular compactat și, în varianta armată, armătura geosintetică. În Figura Figura Error! No text of specified style in document.2a este prezentată, o platformă de lucru granulare nearmată, iar în Figura Error! No text of specified style in document.2b – o platformă de lucru armată cu un strat de geosintetic, grosimea platformei putând fi redusă în acest caz.

a b

Figura Error! No text of specified style in document.2 Schema generală a unei platforme de lucru: a - nearmată, b-armată

Cel mai important parametru de proiectare al materialului granular este unghiul de frecare internă, φ și mobilizarea sa cu deformația unitară axială, ε.

Materialul din platformă are efectul determinant în ceea ce privește performanțele acesteia. Trebuie determinate caracteristicile de rezistență, de durabilitate și de compresibilitate ale acestuia. Pentru terenul natural trebuie determinată, în special, rezistența la forfecare.

Pentru proiectare sunt relevante următoarele caracteristici ale geosinteticelor: • înglobarea eforturilor de întindere, luând în considerare deformațiile; • transferul de eforturi între armătură și pământ; • durabilitatea, prevenirea deteriorării mecanice în timpul transportului și instalării; • permeabilitatea; • durabilitatea chimică și microbiologică.

Alegerea valorii rezistenței la întindere pentru armăturile geosintetice este un proces complex. Forma armăturilor (bandă, folie sau grilă) și tipul nodurilor determină mecanismul de transfer al eforturilor de la teren la armătura. Rezistența necesară a geosinteticului depinde de durata de viață proiectată a structurii sau de durata aplicării forțelor exterioare.

Valorile de proiectare ale rezistențelor sunt determinate aplicând valorilor caracteristice factori de reducere și coeficienți parțiali. Factorii de reducere includ influențele cunoscute asupra comportării produsului, în timp ce coeficienții parțiali de siguranță oferă o marjă de siguranță necesară în proiectare.

2.4 Proiectarea platformelor de lucru Proiectarea unei platforme de lucru trebuie să aibă în vedere următorii factori: riscurile posibile

de pe șantier, operațiile necesare a se executa pe platformă și, nu în ultimul rând, caracteristicile terenului. În procesul de proiectare, datorită marii diversități de operații efectuate, încărcările aplicate platformei de lucru sunt dificil de apreciat, din această cauză încărcările se aplică distribuit.

Recomandările de proiectare a platformelor de lucru se regăsesc în ghidul de proiectare “BR470

Working platforms for tracked plant”, realizat de British Research Establishment. La ora actuală, în literatura de specialitate există diferite metode de evaluare a capacității

portante a unui sistem dublu-strat. Însă, într-o situație unde o platformă de lucru, având o grosime relativ mică, se află deasupra unui substrat slab, un mod de abordare simplist al calculelor de proiectare se poate baza pe analiza cedării prin poansonare. În cadrul acestei analize, capacitatea portantă, R, este considerată a fi egală cu suma forței de forfecare necesară a străpunge printr-un plan vertical în materialul granular al platformei, și capacitatea portantă a substratului (Figura Figura2.3). Se consideră că această abordare simplificată a problemei este, într-o oarecare măsură, conservatoare.

În cazul în care armătura geosintetica este înglobată în bază platformei de lucru pentru preluarea forțelor de întindere, grosimea necesară a acesteia poate fi redusă.

Material granular

Armatura

geosintetica

Teren natural slab

Incarcare


4

În faza de proiectare se iau în calcul două condiții de încărcare, ce sunt denumite cazul 1 și cazul 2 de încărcare. Din moment ce factorii care se aplică acestor două cazuri sunt foarte diferiți, este foarte important să se înțeleagă diferența esențială dintre ele.

Pentru fiecare caz de încărcare în parte, trebuie examinate mai multe situații, acestea rezultând în aplicarea diferitelor încărcări de-a lungul unor lungimi efective de căi de rulare. Cea mai defavorabilă situație trebuie să fie folosită în calcule pentru ambele cazuri. Valorile de calcul ale încărcărilor sunt obținute prin aplicarea valorilor caracteristice corespunzătoare unui factor de siguranță.

Figura2.3 Mecanismul de cedare prin poansonare (BR470, 2004)

Etapele procesului de proiectare (BR470, 2004):

• evaluarea caracteristicilor terenului natural; • evaluarea condițiilor de încărcare; • calculul capacității portante și a factorilor de formă, precum și a coeficientului de

poansonare; • verificarea caracteristicilor terenului-suport; • verificarea caracteristicilor materialului platformei de lucru; • determinarea grosimii necesare a platformei; • utilizarea armăturii geosintetice; • evaluarea finală a rezultatelor.

Dat fiind faptul că terenul nu poate prelua încărcările provenite din utilajele ce deservesc un șantier și că materialul ales pentru platforma de lucru îndeplinește toate condițiile stabilite, este necesar calculul grosimii stratului de material granular.

Considerarea mecanismului de cedare prin poansonare este o metodă simplificată de calcul a grosimii necesare pentru o platformă de lucru. Trebuie luate în calcul limitările aplicabilității acestei metode și, deci, ale calculelor de proiectare ce se bazează pe aceasta.

2.5 Modelare numerică Modelarea numerică este un instrument eficient pentru rezolvarea problemelor complexe de

inginerie. Cea mai uzuală metodă a analizei numerice este metoda elementului finit, care a fost larg folosită în cercetare, dar și în proiectare în domeniul ingineriei civile. Unul dintre avantajele utilizării acestei metode pentru analiza terenurilor ranforsate este posibilitatea identificării distribuției deformațiilor și a eforturilor în și în jurul armăturii, în timpul și la sfârșitul deformării acesteia.

2.6 Modelare analitică În literatura de specialitate sunt prezente multe studii ce tratează problema fundării pe terenuri

stratificate. Primele cercetări realizate în sensul dezvoltării unor formule empirice pentru capacitatea portantă a acestor terenuri au avut la bază încercările de laborator. În ultimii ani a luat amploare dezvoltarea teoriilor bazate pe analiza în element finit, acestea având rezultate și soluții mai raționale.

2.7 Concluzii Calculul capacității portante a unei fundații de suprafață situată pe un teren omogen armat cu

unul sau mai multe straturi de armătură geosintetică, atât analitic cât și numeric a fost larg studiat. S-au formulat și s-au validat experimental expresiile de capacitate portantă pentru aceste structuri. Mai mult decât atât, în ultimii ani cercetarea a făcut un pas înainte, prin propunearea unui calcul de tasare a trenurilor omogene armate, pornind de la ipoteza mecanismului de “placa lată” (Huang, 2011) sau ipoteza deformațiilor uniforme ale geosinteticului funcție de tasările terenului (Chen, 2007).


5

În ceea ce privește terenurile stratificate, și aici s-au întreprins multe cercetări încă din anii ‘70. Există unele expresii de calcul al capacității portante atât pentru cazul nearmat, cât și pentru cazul armat.

3. POLIGON EXPERIMENTAL IN-SITU În scopul validării modelului numeric ce va fi dezvoltat, în cadrul tezei de doctorat, în anul 2011

a fost realizat un poligon experimental. Experimentul a constat în armarea unei platforme de lucru cu geocompozit de armare,

instrumentat cu senzori de deformație și celule de presiune și monitorizarea presiunilor la baza platformei și a deformațiilor din geocompozit în timpul asamblării macaralei, utilizate la asamblarea uneia dintre turbinele eoliene ale parcului “Sălbatica” din zona Dobrogea.

3.1 Descrierea lucrării și a amplasamentului Parcul eolian “Sălbatica” este situat în Sud-Estul României, în zona Dobrogea, în apropierea

orașului Tulcea. Dobrogea este una dintre cele mai bune zone din Europa pentru amplasarea turbinelor eoliene datorită crivățului și brizelor care asigură funcționarea acestora.

În scopul măririi capacității portante a terenului natural, în zonele de lucru ale macaralelor ce asamblează turbinele eoliene a fost adoptată o soluție de îmbunătățire a acestuia prin realizarea unor platforme de lucru dintr-un strat de piatră spartă (sort 0-63) de 40 cm grosime, iar la interfața dintre piatră și terenul natural compactat, așternerea geocompozitului de armare alcătuit dintr-un geotextil și geogrilă. Astfel, eforturile provenite din macara, împreună cu elementele componente ale turbinei, pot fi distribuite pe o suprafață mai mare la nivelul terenului natural. Etapele de realizare a îmbunătățirii terenului natural, în acest caz, sunt următoarele:

• compactarea terenului natural; • așternerea materialului geocompozit; • așternerea și compactarea stratului de piatră spartă.

3.2 Echipamente Macaralele folosite pentru ridicarea turbinelor eoliene fac parte din categoria utilajelor foarte

grele, cântărind până la 750 tone. Utilizarea acestor utilaje necesită măsuri speciale de securitate în muncă.

În timpul funcționării, macaraua se sprijină pe patru platforme (picioare) dreptunghiulare de dimensiuni 6x2,4x0,3m. Geocompozitul instrumentat cu traductori de deformație, împreună cu celulele de presiune a fost instalat sub unul dintre aceste picioare (Figura 3.11).

Figura 3.1 Schema macaralei folosite în experiment

3.3 Caracterizarea geotehnică a amplasamentului Pentru amplasament a fost întocmit un studiu geotehnic în anul 2010, de catre EXPERCO-ISPIF

SRL. Acesta a constat din 35 foraje, cu adâncimi cuprinse între 5m şi 30m. În plus, au fost efectuate încercări cu placa Lucas pe teren compactat. În cadrul tezei de doctorat, în anul 2012 au fost realizate cercetări de laborator suplimentare, atât pe terenul compactat, cât şi pe piatra spartă din alcătuirea platformei.


6

3.4 Caracteristicile geocompozitului de armare Materialul geosintetic folosit pentru armarea platformei de lucru este de tipul geocompozit,

compus din geotextil nețesut, filtrant, consolidat mecanic prin întrețesere și geogrila din benzi monolitice din polipropilenă (PP) subțiri, pretensionate, cu nodurile sudate. Reducerea deformației laterale din interiorul materialului granular este datorată încleștării acestuia în ochiurile geogrilei.

3.5 Instrumentare și metrologie Pregătirea geocompozitului pentru experiment s-a realizat în Germania, de către firma BBG

Bauberatung Geokunststoffe GmbH & Co. KG. Pentru măsurarea deformațiilor geocompozitului au fost instalați 8 traductori de deformații lipiți pe structura geocompozitului, la distanțe prestabilite (Figura ).

Figura 3.2 Montarea traductorilor de deformații pe geocompozitul de armare

Ulterior, în vecinătatea senzorilor de deformație au fost instalate 3 celule de presiune, care au permis înregistrarea presiunilor aplicate la nivelul geocompozitului. În Figura 3.3 sunt prezentate etapele de instalare a celor două elemente esențiale pentru experimentul realizat: 1) instalarea geocompozitului intrumentat la pozițiile prestabilite și fixarea acestuia; 2) acoperirea senzorilor de deformație cu nisip pentru prevenirea deteriorării; 3)dispunerea celulelor de presiune conform schemei de instrumentare și acoperirea acestora cu nisip. In final, schema de instalare a geocompozitului este cea reprezentată in Figura 3.4.

Figura 3.3 Instalarea geocompozitului instrumentat și a celulelor de presiune pe teren

Figura 3.4 Schema finală a elementelor de monitorizare, senzori de deformație și celule de presiune

12

3

pressure cell

strain gauge

geocompozitul

instrumentatpiciorulmacaralei

4.7

5m

10m

6m

3m1m2m

3m3.5m

4m4.5m

2.4

m

0.2

m

0.25m0.5m0.5m

2.75m

3.75m

9m

3.7

5m

123456

78


7

După instalarea geocompozitului, platforma de lucru a fost acoperită cu stratul de piatră spartă, care a fost compactat static și dinamic. Din momentul în care platforma a fost complet acoperită cu materialul granular, a început înregistrarea presiunilor la nivelul geocompozitului și deformațiilor în acesta. În total, s-au realizat 22 de măsurători, dintre care 11 continui și 11 punctuale, care au acoperit toate fazele de insatalare a platformei de lucru și a macaralei, pe durata unei zile complete de lucru.

Încărcarea maximă calculată analitic de către producătorii macaralei a rezultat ca fiind în valoare de 1870kN, încărcare concentrată pe piciorul macaralei.

Figura 3.5 Poziționarea finală a elementelor de monitorizare pe teren

3.6 Interpretarea rezultatelor monitorizării În Figura 3.6 sunt prezentate variațiile de presiuni din timpul celor 22 de măsurători, funcție de

distanța față de centrul piciorului macaralei. Valorile presiunilor corespunzătoare fiecărei măsurători sunt valorile maxime ale presiunilor înregistrate de fiecare celulă de presiune în decursul etapei respective.

Figura 3.6 Variațiile presiunii cu distanța față de centrul piciorului macaralei

Presiunea maximă a fost înregistrată în timpul măsurătorii nr. 20, având valoarea de 154kPa. Celula de presiune nr. 2 amplasată la distanța de 3m față de centrul platformei macaralei (marginea platformei) a înregistrat cele mai mari valori ale presiunilor pentru toate măsuratorile. Celula nr. 3, care se află la distanță de 1m de marginea platformei a înregistrat valori de presiuni mai mici, iar în majoritatea cazurilor, nule.

În Figura 3.7 sunt prezentate curbele de variație ale deformațiilor în geocompozit cu distanța față de centrul piciorului macaralei.

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

110.00

120.00

130.00

140.00

150.00

160.00

170.00

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50

Pre

siu

ne

[kP

a]

Distanta de la centrul platformei macaralei [m]

Presiune - Distanta M no.1

M no.2

M no.3

M no.4

M no.5

M no.6

M no.7

M no.8

M no.9

M no.10

M no.11

M no.12

M no.13

M no.14

M no.15

M no.16

M no.17

M no.18

M no.19

M no.20

M no.21

M no.22


8

Valorile deformațiilor corespunzătoare fiecărei măsurători sunt valorile maxime ale deformațiilor înregistrate de fiecare senzor de deformație. Deformația maximă a fost atinsă la distanța de 2m față de centrul piciorului macaralei, în timpul măsurătorii nr. 17, având valoarea de 0.48%. Acestei măsurători punctuale îi corespunde măsurătoarea continuă nr. 16, unde deformația maximă înregistrată are valoare de 0.43% în senzorul de deformații situat la 2 m față de centrul piciorului.

În urma experimentului realizat, s-a înregistrat prin măsurătoare directă, cu metoda nivelei cu laser, o tasare maximă a piciorului macaralei egală cu 9,5 mm.

Figura 3.7 Variațiile deformațiilor cu distanța față de centrul piciorului macaralei

3.7 Concluzii Monitorizarea și înregistrarea datelor s-a realizat pe tot parcursul realizării platformei şi a

asamblării macaralei. Deformația maximă a geocompozitului s-a înregistrat în momentul în care toate contragreutățile au fost dispuse deasupra piciorului monitorizat, iar brațul macaralei a fost ridicat în poziția aproape verticală. Datele obținute de pe poligonul experimental s-au folosit pentru validarea unui model numeric în element finit al platformei de lucru armate.

Dimensionarea unor astfel de platforme se realizează, de regulă, pe baza normei BR470 (2004), practica arătând că această metodă duce la supradimensionări. Experimentul in situ a arătat că nivelul de solicitare a geosompozitului de armare este foarte redus, ceea ce confirmă această ipoteză (Figura 3.8).

Figura 3.8 Nivelul real de solicitare al geocompozitului de armare

-0.20

-0.10

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

Stra

in [%

]

Distance from center of crane pad [m]

Strain vs. Distance M no.1

M no.2

M no.3

M no.4

M no.5

M no.6

M no.7

M no.8

M no.9

M no.10

M no.11

M no.12

M no.13

M no.14

M no.15

M no.16

M no.17

M no.18

M no.19

M no.20

M no.21

M no.22

0.48%

8%


9

4. MODELAREA NUMERICĂ A EXPERIMENTULUI IN-SITU

4.1 Introducere În acest capitol se prezintă modelarea numerică a situației monitorizate in-situ în scopul de a

calibra modelul numeric elaborat, ce va putea fi utilizat ulterior pentru evaluarea metodelor actuale de dimensionare a platformelor de lucru pentru utilaje.

Aşa cum a fost el realizat, experimentul in-situ este foarte dificil de reprodus în totalitate. Modelarea tuturor încărcărilor ce i-au revenit plăcii de încărcare sub care a fost amplasat geocompozitul de armare instrumentat este foarte dificilă, iar aproximarea acestora poate duce la rezultate eronate în ceea ce privește presiunile în teren și deformațiile din geogrilă. De aceea, dintre toate cele 22 de măsurători efectuate pe teren au fost modelate doar 3, corespunzătoare așternerii pietrei sparte, montării plăcii pe care reazemă piciorul macaralei și etapa în timpul căreia au fost înregistrate deformațiile maxime în geocompozitul de armare.

Modelarea a fost realizată cu programul Plaxis, varianta 3D (2012), aceasta permițând introducerea unei geogrile şi considerarea interacțiunii dintre aceasta şi teren.

4.2 Descrierea programului de calcul folosit În acest subcapitol sunt prezentate generalitatile programului Plaxis si detaliile in ceea ce

priveste modelul de calcul ales.

4.3 Modelul numeric al platformei de lucru În Figura este prezentată secțiunea platformei de lucru modelate. Grosimea stratului terenului

natural compactat s-a estimat a fi de 30cm. Piciorul macaralei reazemă pe o placă metalică dreptunghiulară cu dimensiunile de 2,4x6,0m.

Placa nu este plină, ci prezintă o secțiune longitudinală specifică, având rigidizări verticale dispuse la distanțe prestabilite. O schemă de principiu a secțiunii plăcii de încărcare este prezentată în Figura .

Pentru aceasta s-a calculat un modul de elasticitate logitudinal echivalent, astfel rezultat un modul de elasticitate ce reflectă situația reală.

Structura de teren armat a fost încărcată pe suprafața redusă de aproximativ 1,8m2 (Figura ), suprafața corespunzătoare plăcii superioare pe care descărcă piciorul macaralei. Valoarea finală a încărcării distribuite pe această suprafață este de 578kN/m2.

Figura 4.1 Secțiunea platformei de lucru modelate

Figura 4.2 Schema de principiu a plăcii de încărcare a piciorului macaralei

40

cm

Piatra sparta Geocompozitul

instrumentat

Loess

natural

Loess

comactat

30-4

0 c

m


10

4.4 Rezultatele modelării numerice În Figura este prezentat modelul numeric al experimentului, cu toate părțile structurale

definite. Volumul terenului de sub placă delimitat de cele trei suprafețe a fost rafinat pentru a obține valorile presiunilor din teren cât mai exacte. Rezultatele modelării numerice constau în presiuni de deasupra armăturii geosintetice și deformații în aceasta în punctele în care ele au fost măsurate pe teren.

Presiunile din teren prezentate se află la o adâncime de 0,39m, imediat deasupra geocompozitului instrumentat în lungul laturii lungi a plăcii de încărcare.

În Figura 4.4 sunt prezentate presiunile din teren în vedere generală (a) și în detaliu (b). Se observă o concentrare a presiunilor spre marginile și spre colțurile plăcii de încărcare.

Figura 4.3 Elemente structurale ale modelului numeric

a b Figura 4.4 Presiunile din teren la nivelul cotei de 0,39m (imediat deasupra geocompozitului de armare): a-vedere

generală, b-detaliu

În Figura este prezentată diagrama de distribuție a forțelor de întindere în geogrilă pe o lungime de 5m față de centrul platformei macaralei.

a

b Figura 4.5 Diagramele de distribuție a forțelor de întindere în geogrilă pe o lungime de 5m: a-tridimensional, b-

secțiune


11

4.5 Validarea modelului numeric pe baza rezultatelor experimentului in-situ

În scopul de validare a modelului numeric descris mai sus, rezultatele acestuia sunt comparate cu rezultatele corespunzătoare ale experimentului in-situ.

În ceea ce privește presiunile din teren la adâncimea de 0,39m sub placa de încărcare, acestea au fost intregistrate în trei puncte caracteristice, aproximativ în mijlocul plăcii, la capătul acesteia și în afara suprafeței încărcate. În graficul din Figura sunt comparate cele două variații ale presiunilor din teren, experimental și numeric, corespunzătoare situației de încărcare maximă a platformei macaralei. Distribuția presiunilor în teren este oarecum similară cu cea rezultată în urmă calculului numeric. Diferența dintre valoarea maximă a presiunii din model și cea experimentală este de 16% din valoarea presiunii înregistrate experimental.

Figura 4.6 Variația presiunii cu distanță, experiment vs numeric

Deformațiile din geogrilă au rezultat din forțele axiale de întindere dezvoltate în aceasta. Valorile deformațiilor au fost înregistrate pe teren la distanța de 1m față de axa longitudinală a plăcii macaralei. În Figura este prezentată variația deformațiilor cu distanța față de centrul piciorului macaralei în cele două variante analizate, experimental și numeric. Se observă o bună concordanță între traiectoriile obținute numeric şi experimental. Deformațiile maxime sunt foarte apropiate, situându-se în intervalul 0.45 – 0.5%., eroarea față de valorile experimentale fiind de 10%.

0.46

0.48

-0.15-0.10-0.050.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.55

0 1 2 3 4 5

Def

orm

atie

[%

]

Distanta de la centrul placii [m]

model

experiment

Figura 4.7 Variația deformațiilor în geogrilă funcție de distanță, experiment vs numeric

4.6 Concluzii A fost reprodusă situația de încărcare maximă în timpul căreia au fost înregistrate presiunile de

deasupra armăturii și deformația maximă în geogrilă. S-a constatat că valorile presiunilor sunt foarte apropiate de cele masurate pe teren, avand o eroare maximă de 16%. În ceea ce priveste deformațiile din geogrilă se poate spune că valoarea maximă a acestora extrasă din programul Plaxis se află în același interval cu cele înregistrate în teren (0,45-0,50%).

În acest mod a rezultat un model numeric calibrat şi validat pe baza măsurătorilor experimentale care poate constitui baza pentru evaluarea metodelor de proiectare curente a platformelor de lucru.

118159

13

124134

-1.21

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0.00 2.75 3.75

Pre

siu

ni [

kP

a]

Distanta fata de centrul placii [m]

model

experiment


12

5. STUDIU ASUPRA CAPACITĂȚII PORTANTE A PLATFORMELOR DE LUCRU ARMATE

5.1 Introducere În acest capitol al tezei de doctorat s-a efectuat un studiu parametric numeric al capacității

portante a platformelor de lucru în programul de analiză în element finit, Plaxis. S-a studiat influența prezenței armăturii geosintetice și a grosimii stratului de piatră spartă asupra capacității portante a platformelor de lucru. Valorile rezultate s-au comparat cu rezultatele calculului analitic pentru capacitatea portantă.

5.2 Studiu parametric numeric asupra capacității portante a platformelor de lucru

Au fost analizate următoarele structuri: 1. Platformă din teren natural nearmat, armat cu 1 și 2 straturi de geogrilă (dispuse la distanțe

egale). 2. Platformă din 50cm din piatră spartă pe teren natural, nearmată și armată cu 1 și 2 straturi

de geogrilă (dispuse la distanțe egale). 3. Platformă din 100cm din piatră spartă pe teren natural, nearmata și armată cu 1 și 2 straturi

de geogrilă (dispuse la distanțe egale).

Pentru realizrea studiului compatibilității calculului numeric cu cel analitic, în termeni de capacitate portantă, s-a ales aplicarea asupra fundației a încărcării uniform distribuite pe toată suprafața acesteia.

5.3 Rezultatele studiului parametric numeric În varianta 2D a programului Plaxis, placa de încărcare se consideră ca fiind o fundație continuă

(model în deformații plane), în timp ce în varianta 3D aceasta este una izolată, de lungime finită.

Fundație continuă – modelare 2D La acest nivel de analiză se observă că încărcarea ultimă a terenului omogen armat cu un strat

de geogrilă plasat la 0,5m față de suprafață este similară cu încărcarea ultimă suportată de structura cu platforma de 1m de piatră spartă nearmată, amplasată pe același teren natural. După cum a fost și de așteptat, valoarea maximă a raportului capacității portante s-a obținut pentru structura platformei granulare de 1m, armată cu 2 straturi de geogrilă, amplasate la distanțe egale (u=0,5m, h=0,5m, u – distanță față de suprafața terenului, h – distanța dintre armături). Grafic aceste rezultate sunt prezentate în Figura .

Figura 5.1 Variația raportului capacității portante funcție de tipul de structură (nearmată, armată 1 strat și cu 2

straturi de geogrilă) fundație continuă, încărcare uniform distribuită

Fundație pătrată – modelare 3D Studiul capacității portante a continuat cu varianta 3D a programului de element finit. S-au

analizat comportările platformelor granulare nearmate și armate, situate pe două tipuri de teren, având catacteristici geotehnice diferite, la atingerea încărcării ultime.

0

5

10

15

20

25

30

35

Nearmat Armat 1 Armat 2

RC

P [

%]

Tip structura

Omogen

Stratificat 0,5m

Stratificat 1m


13

Pe baza modelărilor numerice efectuate se poate afirma că în cazul în care în armătura geosintetică deformațiile ajung la valoarea lor maximă, capacitatea portantă crește semnificativ. Terenurile stratificate armate cu un singur strat de geogrilă, cât și cele armate cu două straturi, au atins valoarea maximă de încărcare în momentul în care în armătură s-au dezvoltat forțele axiale de întindere maxime admisibile.

În concluzie, comportarea geogrilelor, dupa cum a rezultat din modelarile numerice efectuate în programul de element finit, diferă în funcție de tipul terenului cu care intră în contact.

Figura 5.2 Variația raportului capacității portante funcție de tipul de structură (nearmată, armată 1 strat și cu 2

straturi de geogrilă): a - pentru teren tip 1, b - pentru teren tip 2

În Figura 5.2 sunt prezentate grafic toate variațiile raportului de capacitate portantă cu tipul structurii, calculate în raport cu terenul omogen nearmat. Aceeași mărire a capacității portante se observă în cazurile de structură stratificată armată cu platforma granulară de 0,5m și structura stratificată nearmată cu platforma de 1m de material granular, însă cea mai mare creștere a încărcării ultime este în cazul platformei granulare de 1m dublu armate.

5.4 Studiu analitic asupra capacității portante a platformelor de lucru Pentru studiul analitic al capacității portante a structurilor omogene și stratificate, nearmate și

armate cu materiale geosintetice au fost alese mai multe metode de analiză. Printre acestea se numără atât metodele clasice de calcul, cât și cele dezvoltate în ultimii ani de cercetare în domeniul terenurilor stratificate și armate cu materiale geosintetice.

Teren omogen În scopul obținerii valorilor analitice ale capacității portante a structurilor nearmate au fost

alese următoarele metode de calcul : • SR EN 1997-1 2004; • DIN 4017-2006; • Metoda Terzaghi (1948); • Metoda Meyerhof (1951).

Teren stratificat • DIN 4017-2006; • BR470 (2004); • Meyerhof şi Hanna (1974)

Teren armat cu materiale geosintetice • DIN 4017-2006 cu Sharma et al. (2009); • BR470 (2004); • Wayne at al. (1998).

5.5 Comparațiile între modelele numerice și cele analitice pentru capacitatea portantă a platformelor de lucru armate

Valorile obținute prin metodele analitice, disponibile la momentul actual, pentru încărcările ultime au fost comparate cu valorile numerice obținute în urma calculului în element finit.

Rezultatele numerice ale încărcărilor ultime în toate cele trei variante de teren (omogen și stratificate), pentru cazuri armate, sunt net superioare celor calculate analitic cu metodele de calcul existente.

0

50

100

150

200

250


RC

P [

%]

Tip teren

Omogen

Stratificat 0,5m

Stratificat 1m

0

5

10

15

20

25

30

35

40


RC

P [

%]

Tip teren

Omogen

Stratificat 0,5m

Stratificat 1m

a b


14

5.6 Concluzii Din rezultatele modelărilor numerice rezultă că armătura geosintetică aduce un aport

semnificativ la capacitatea portantă a structurii de teren stratificat, în special în cazul când terenul natural este foarte slab, dublând încărcarea ultimă a acestuia. Cedarea terenurilor s-a produs, în cele mai multe cazuri, datorită atingerii efortului maxim admisibil dezvoltat în geogrilă. Valoarea efortului maxim a fost limitată la valoarea caracteristică a acestuia, utilizată în calcule analitice.

Chiar dacă încărcarea ultimă a terenului omogen nearmat, pentru ambele terenuri analizate, a fost foarte apropiată de cea calculată analitic, la introducerea armăturii geosinteice diferențele (analitic vs. numeric) cresc semnificativ.

6. ANALIZA CRITICĂ A METODELOR CURENTE DE PROIECTARE Principiul de bază al metodei curente de calcul al platformelor de lucru (BR470, 2004) este

cedarea prin poansonare a structurii dublu-strat. Experiența şi practica europeană arată că această metodă de dimensionare este conservatoare şi duce la supradimensionări. În acest capitol autorul își propune să analizeze acest lucru.

6.1 Analiza metodelor curente de proiectare În scopul de a evalua metoda de calcul curentă a platformelor de lucru armate din BR470

(2004), s-a utilizat platorma piciorului macaralei situată pe terenul natural alcătuit din loess, care a fost dimensionată conform ghidului în cauză.

Terenul ales, fiind un praf uscat (loess), are un unghi de frecare internă şi o coeziune cu valori non-neglijabile, precum şi un comportament mai apropiat de cel drenat. În BR470 sunt două abordări posibile:

• teren pur necoeziv, pentru care formula de capacitate portantă utilizează numai termenul datorat greutății proprii, iar parametrii utilizați sunt cei drenați;

• teren slab coeziv, saturat, caracterizat prin coeziune nedrenată, cu şi un comportament nedrenat, caz în care formula de capacitate portantă conține doar termenul datorat coeziunii.

Utilizarea formulelor pentru pământ coeziv saturat în regim nedrenat este exagerată în cazul terenului analizat, de aceea s-a realizat o analiză în mai multe variante, conform BR470:

• teren pur necoeziv, pentru care a rezultat o grosime necesară de platformă armată de 0,65 m; • teren coeziv, pentru care a rezultat o grosime necesară de platformă granulară armată de

1,20m.

Modelul numeric a fost elaborat în 3 variante, ținând cont de particularitățile de comportare ale terenului studiat:

• teren drenat cu o platformă granulară de 0,65m; • teren necoeziv drenat cu o platformă granulară de 0,65m; • teren coeziv nedrenat cu o platformă granulară de 1,20m.

Toate modelele analizate au fost armate cu un strat de material geosintetic la baza platformei granulare.

În cazul considerării terenului ca fiind necoeziv, în regim drenat, diferența dintre rezultatele modelării numerice şi metoda BR470, în termeni de capacitate portantă, este de cel puțin 36%, rezultatul numeric fiind mai mare decât cel analitic. În situația terenului coeziv saturat solicitat în regim nedrenat diferențele dintre Plaxis şi BR470 sunt destul de mari, de 22%, rezultatul analitic fiind mai mare în acest caz.

În continuare au fost analizate cazul terenului necoeziv și a celui pur necoeziv; structurilor de platformă armată (0,65m) fiindu-le aplicate încărcările maxime rezultate în urma calculului conform BR470. În urma calculului numeric au rezultat că în cazul terenului necoeziv, pe care s-a amplasat o platformă granulară de 0,65m, s-a înregistrat o tasare de 3,6cm, iar deformația maximă în geogrilă a fost de 0,6%. Tasarea maximă a terenului pur necoeziv cu o platformă granulară de 0,65m a fost de 5,3cm, iar deformația maximă s-a înregistrat pe direcția scurtă a fundației (x) și a fost de aprox. 1%.

Luând în considerare faptul că în armătură nu s-au dezvoltat eforturile maxime, deformațiile maxime admisibile având valoarea de 8%, trebuie observat că armătura geosintetică nu este solicitată la potențialul său maxim. Iar dacă armăturile se folosesc numai pentru reducerea grosimii stratului de piatră spartă și nu pentru creșterea capacității portante, valoarea forței de întindere de calcul trebuie


15

redusă de la valoarea caracteristică până la o valoare mai realistă, posibilă a se dezvolta în structura proiectată la acest nivel de deformație.

Întrucât rezultă din modelările numerice că există o marjă de siguranță destul de mare, s-a rulat modelul numeric pentru a vedea dacă se poate reduce și mai mult grosimea platformei. În urma reducerii grosimii stratuui de material granular de la 65cm până la 30cm s-a constatat că structura armată rezistă la limită, având tasarea maximă de 7,6cm și deformația maximă în armătură de aprox. 3%. Deformațiile din armătura geosintetică în ambele direcții sunt prezentate grafic în Figura 6.1.

Figura 6.1 Variația deformațiilor din geogrilă cu distanța față de centrul fundației, cazul terenului stratificat –

necoeziv cu o platformă de 0,65m și 0,3m din piatră spartă armat cu 1 strat de geogrilă

6.2 Propuneri de îmbunătățire a metodelor curente de proiectare Pe baza analizelor prezentate în subcapitolul anterior rezultă că pentru terenurile foarte slabe

argiloase, saturate, care sunt solicitate în regim nedrenat, metoda de dimensionare din BR470 este acoperitoare. Platformele rezultate sunt, în general, de grosime mare și sunt armate pentru a mai putea reduce cantitatea de material granular.

Aportul înglobării materialelor geosintetice în platformele de lucru din material granular este maxim doar în cazul în care în acestea se dezvoltă eforturi axiale mari. Dezvoltarea eforturilori și, implicit, a deformațiilor mari în amătura geosintetică este posibilă doar în cazul atingerii unui anumit nivel de tasări în terenul natural pe care este construită platforma. Conform studiilor realizate de mai mulți cercetători, deformațiile (eforturile) în geogrilă descresc cu creșterea grosimii stratului granular, la baza căruia se amplasează aceasta și invers.

Deoarece, conform ghidului de proiectare BR470 (2004), grosimea platformelor de lucru în cazul în care acestea sunt amplasate pe terenuri foarte slabe, rezultă a fi foarte mare (în unele cazuri ajungând la 1,0m), înglobarea unei singure armături la baza stratului granular va duce la reducerea grosimii acestuia, însă în materialul geosintetic nu se vor dezvolta eforturi de întindere maxime. În consecință, beneficiile pe care le poate aduce armătura geosintetică la capacitatea portantă a sistemului nu vor fi maxime.

Pe baza studiului realizat în cadrul prezentei lucrări, precum și a studiilor din literatura de specialitate se propune introducerea mai multor straturi de armătură în interiorul platformei de lucru, reducând grosimea stratului granular. Astfel, în fiecare strat de armătură se vor mobiliza eforturile de întindere maxime, ceea ce va conduce la deformații mai mari în geosintetic, deci aportul la capacitatea portantă va fi semnificativ.

În cazul terenurilor nu foarte slabe, cu un procent mare de nisip sau praf, uscate, care sunt solicitate, chiar și pe termen scurt, în condiții drenate, metoda de dimensionare BR470 conduce la supradimensionări, uneori destul de importante. În acest caz, alegerea formulei adecvate de capacitate portantă este mai delicată deoarece BR470 nu ia în considerare aceste terenuri mediocre, ci doar extremele - pur necoeziv și mai rezistent sau pur ceoziv, saturat, foarte slab. În aceste cazuri, prin modificarea formulelor de dimensionare s-ar putea ajunge la economii de material granular.

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.0

00

.53

1.0

51

.58

2.1

12

.63

3.1

63

.69

4.2

14

.74

Necoeziv 0,65m

deformatii x

deformatii y

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

0.0

00

.79

1.3

22

.11

2.6

33

.43

3.9

54

.74

Necoeziv 0,3m

deformatii x

deformatii y


16

7. CONCLUZII, CONTRIBUŢII PERSONALE ȘI DIRECŢII PENTRU CERCETĂRI VIITOARE

7.1 Concluzii Teza de doctorat abordează o problematică mai puțin cercetată, aceea a armării platformelor de

lucru din material granular cu materiale geosintetice. Platformele de lucru sunt lucrări geotehnice cu caracter temporar ce au rolul de a asigura o

suprafață de lucru stabilă pentru utilaje grele. Multe din aceste platforme de lucru sunt construite pe pământuri slabe. Pe plan internațional au existat, în ultimii ani, accidente cu răsturnări ale unor macarale, ceea ce a dus la intensificarea preocupărilor în acest domeniu. Soluția clasică constă în realizarea unor platforme din material granular, a căror grosime poate fi semnificativă. Cantitatea de material granular utilizat se poate reduce prin armarea materialului granular cu materiale geosintetice, care au rolul de a prelua eforturile de întindere, de a creşte capacitatea portantă, a reduce deformațiile şi a îmbunătăți distribuția acestora. Utilizarea materialelor geosintetice de armare aduce beneficii nu numai în materie de costuri şi rapiditate în execuție, ci şi în ceea ce priveşte protecția mediului, reducând amprenta de carbon a lucrării datorită diminuării volumelor de materiale transportate.

În prezent, dimensionarea platformelor de lucru în Europa se face conform ghidului BR470 – “Working Platform for Tracked Plants”, elaborat de British Research Establishment in anul 2004, metodă care are limitări şi care supradimensionează în multe cazuri platformele.

Cercetările realizate în cadrul tezei de doctorat au fost realizate la inițiativa şi cu sprijinul Naue România, Naue Germania şi BBG Germania, precum şi cu colaborarea Universității Tehnice din Clausthal Germania, Departamentul de Geotehnica si Minerit.

Obiectivul principal al tezei de doctorat a fost evaluarea şi îmbunătățirea metodelor de dimensionare ale platformelor de lucru armate cu materiale geosintetice.

În scopul atingerii obiectivelor propuse s-a ales ca metodă de lucru modelarea numerică. Pentru a putea elabora un model numeric fiabil era nevoie de validarea acestuia prin rezultate experimentale. În acest scop, a fost realizat, cu sprijinul financiar al Naue şi BBG, un poligon experimental pentru o platformă de lucru a unei macarale de 750 tone în cadrul unui parc eolian din Dobrogea. Platforma de lucru a fost constituită din terenul natural compactat, peste care s-a așternut un strat de geocompozit și acoperit cu 40 cm de piatră spartă. În scopul monitorizării comportării materialului geocompozit, sub unul dintre cele 4 picioare ale macaralei a fost dispus materialul geosintetic instrumentat cu 8 traductori de deformații și 3 celule de presiune. Monitorizarea și înregistrarea datelor s-a realizat pe tot parcursul realizării platformei şi a asamblării macaralei.

În continuare a fost elaborat un model numeric în 3D al experimentului in situ. A fost reprodusă situația de încărcare maximă în timpul căreia au fost înregistrate presiunile de deasupra armăturii și deformația maximă în geogrilă. S-a constatat că valorile presiunilor rezultate în urma calculului numeric sunt foarte apropiate de cele măsurate pe teren, având o eroare maximă de 16%. În ceea ce privește deformațiile din geogrilă se poate spune că valoarea maximă a acestora, extrasă din programul Plaxis se află în același interval cu cele înregistrate în teren (0.45 – 0.5%), acestea fiind mult sub cele corespunzătoare ruperii (8%). În acest mod a rezultat un model numeric calibrat şi validat pe baza măsurătorilor experimentale care a putut fi utilizat mai departe pentru studierea platformelor armate.

A fost realizat un studiu analitic şi numeric asupra capacitătii portante a terenurilor stratificate, armate. În acest scop s-au folosit principalele metode analitice de calcul. Valorile numerice ale încarcărilor ultime în toate cele trei variante de teren (omogen și stratificate), pentru cazuri armate, sunt net superioare celor calculate analitic cu metodele de calcul existente.

În urma analizei critice a BR470 (2004) efectuate și pe baza comparațiilor dintre rezultatele obținute pe care analitică şi numerică într-un caz dat, a rezultat că:

• pentru terenurile foarte slabe argiloase, saturate, care sunt solicitate în regim nedrenat, metoda de dimensionare din BR470 este acoperitoare. Platformele rezultate sunt în general de grosime mare şi sunt armate pentru a mai putea reduce cantitatea de material granular. În acest caz este utilă utilizarea mai multor straturi de geogrilă; se va obține o reducere suplimentară a grosimii stratului de material granular, iar în fiecare strat de armătură se vor dezvolta eforturi mai mari, decât în cazul cu o singură

armătură. Capacitatea portantă a structurii poate fi mărită deoarece aportul înglobării materialelor geosintetice în platformele de lucru din material granular este maxim doar in cazul în care în acesta se dezvolta eforturi axiale mari;


17

• în cazul terenurilor nu foarte slabe, cu un procent mare de nisip sau praf, uscate, care sunt solicitate, chiar şi pe termen scurt, în condiții drenate, metoda de dimensionare BR470 conduce la supradimensionări, uneori destul de importante. În acest caz, alegerea formulei adecvate de capacitate portantă este mai delicată deoarece BR470 nu ia în considerare aceste terenuri mediocre. În aceste cazuri, prin modificarea formulelor de dimensionare s-ar putea ajunge la economii de material granular.

Teza de doctorat elaborată a abordat la nivel experimental, analitic şi numeric problematica platformelor de lucru din material granular, armate cu materiale geosintetice, amplasate pe terenuri slabe. Acest subiect este unul de actualitate, chiar dacă este unul de nişă, făcând obiectul multor cercetări şi prezentând interes practic, dovadă implicarea unor producători de materiale geosintetice şi proiectanți în finanțarea acestor lucrări. Rezultatele obținute pot duce la economii importante, inclusiv la reducerea impactului asupra mediului a acestor tipuri de lucrări, prin îmbunătățirea metodelor de proiectare actuale.

7.2 Contribuţii personale Principalele contribuții personale sunt:

1. Realizarea unei sinteze extinse şi actuale asupra armării platformelor de lucru. 2. Participarea activă la realizarea poligonului experimental in situ – Sălbatica, mai 2011 prin

participarea la efectuarea încercărilor pe teren cu placa, la instalarea geocompozitului instrumentat pe teren şi la înregistrarea măsurătorilor.

3. Prelucrarea şi interpretarea datelor rezultate din experimentul in situ pentru toate cele 22 de etape de măsurare – presiuni şi deformații.

4. Elaborarea unui model numeric în element finit 3D şi validarea sa pe baza rezultatelor măsurătorilor in-situ.

5. Realizarea unui studiu parametric, numeric şi analitic asupra capacității portante a platformelor armate.

6. Evaluarea și analiza critică a metodelor de dimensionare utilizate. 7. Propunerea de metode de îmbunătățire a metodelor de dimensionare actuale.

7.3 Direcţii pentru cercetări viitoare Cercetările pot fi continuate prin :

• analiza mai multor posibilități de îmbunătățire a metodelor de proiectare şi testarea acestora în condiții practice de proiectare, pentru diferite tipuri de terenuri.

• realizarea încercărilor de laborator la scară mare pentru diferite configurații de platforme armate pentru studiul comportării reale ale acestora, stabilirea distribuției reale a deformațiilor ce apar în geogrilă în urma încărcărilor aplicate în sistemul dublu-strat armat.

8. BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ 1. Batali, L., Klompmaker, J., Butnarciuc, N.,2012. “Test field for monitoring geocomposite

reinforcement behavior in a crane working platform at a wind farm”, 5th European Geosynthetics

Congress, Vol. 4, pp. 48-56. 2. Batali, L., Klompmaker, J., Butnarciuc, N., 2013. “Test field for monitoring geocomposite

reinforcement behavior in a crane working platform at a wind farm”, Geosynthetics 2013, Long Beach, California, SUA, 2013.

3. Batali L., Butnarciuc, N., Klompmaker, J., 2014. “Geocomposite reinforced crane working platform – experimental study and numerical model”, 10th International Conference on Geosynthetics, Berlin,

4. Binquiet, J., and Lee, K.L., 1975. “Bearing Capacity Analysis of Reinforced Earth Slabs” Journal of

Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol. 101, No.GT12, pp. 1257-1276. 5. Bowles, J., E., 1996. “Foundation analysis and design”, McGrow-Hill, New-York. 6. Burd, H.J., Frydmann, S., 1997. “Bearing capacity of plane strain footings on layered soils”, Canadian

Geotechnical Journal, Vol. 34, pp. 241-253. 7. Butnarciuc, N., 2011. “Geocomposite-reinforced granular working platform - in situ testing”,

Mathematical Modelling in Civil Engineering, Vol. 7, no.4, pp. 23-30.


18

8. Butnarciuc N. 2012. “Monitoring data for a geocomposite reinforcement in a granular working platform for a heavy crane”, Young Researchers Conference (YRC), Mathematical Modelling, no.4/2012.

9. Butnarciuc N., 2013. “Platformă de lucru armată cu geosintetice – experiment in-situ”, Buletinul

ştiinţific al UTCB, septembrie 2013. 10. Das, B., M, 2009. “Shalow Foundaions: Bearing Capacity and Settlements”, CRC Press, Taylor &

Francis Group, Boca Raton. 11. Chen, Q., 2007. “An experimental study on characteristics and behavior of reinforced soil

foundation”, Luosiana State University, PhD Thesys. 12. Gazdaru, A., Feodorov, V., Manea, S., Batali, L., 1999. “Geosinteticele în constructii. Proprietăți,

utilizări, elemente de calcul”, Editura Academiei Romane. 13. German Geotechnical Society, 2011. “Recommendations for design and analysis of earth structures

using geosynthetic reinforcements – EBGEO”, Wilhelm Ernst&Sohn, Berlin, Germany. 14. Hanna, A., M. and Meyerhof, G., G., 1980. “Design charts for ultimate bearing capacity of foundations

on sand overlying soft clay”, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 17, pp. 300-303. 15. Huang, W., C., Liao, H., Y., 2013. “Numerical Modelling of geogrid-reinforced unpaved roadways”,

Geosyntjetics 2013, California, USA, pp. 754-761. 16. Koerner, R. M., 2005. “Designing with Geosynthetics”, Pearson Education, Inc. 17. Kumar, A., Saran, S., 2003. “Bearing capaacity of rectangular footing on reinforced soil”,

Geosynthetical and Geotechnical Engineering, 21, pp. 201-224. 18. Kumar, A., Walia, B.,S., 2006. “Bearing capacity of square footings in reinforced layered soil”,

Geotechnical and Geological Engineering, Vol. 24, pp. 1001-1008. 19. Love, J., P., Burd, H., J., Milligan, G., W., E., Houlsby, G., T., 1987, “Analytical and model studies of

reinforcement of a layer of granular fill on a soft clay subgrade”, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 24, pp. 611-622.

20. Manea, S., Batali, L., Popa, H., 2003. “Mecanica pământurilor. Elemente de teorie, incercări de laborator, exerciții”, Editura Conspress București.

21. Meyerhof, G., G., 1974. “Ultimate bearing capacity of footings on sand layer overlying clay”, Canadian Geotechnical Journal, Vol 11, no 2, May, pp. 223–-229.

22. Michalowski, R., L., Shi, L., 1995. Bearing capacity of footings over two-layered foundation soils. ASCE Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 121, No. 5, pp. 421-428.

23. Michalowski, R., L., 1997. An estimate of the influence of soil weight on bearing capacity using limit analysis”. Soil and Foundations, 37(4):57.

24. Milligan, G. W. E., Jewell, R. A, Houlsby, G. T., and Burd, H., J., 1989. “A New Approach to the Design of Unpaved Road –Part I”, Ground Engineering, 22(3), pp. 25-29.

25. Perkins, S. W., 1999. "Mechanical Response of Geosynthetic Reinforced Pavements", Geosynthetics

International, Industrial Fabrics Association International, Roseville, MN. 26. Sharma, R., Chen, Q., Abu-Farsakh, M., Yoon, S., 2009. “Analytical modeling of geogrid reinforsed soil

foundation”, Geotextiles and Geomembranes, Vol. 27, pp. 63-67. 27. Vesic, A., S., 1973. “Abalysis of ultimate loads of shallow foundations”. Journal of Soil Mechanic

Foundation, Div. ASCE, 99(1):45. 28. Wayne, M.H., Han, J., and Akins, K., October 1998. “The design of geosynthetic reinforced

foundations”, Proceedings of ASCE’s 1998 Annual Convention & Exposition, ASCE Geotechnical Special Publication, 76, pp. 1-18.

29. Yamamoto, K., and Otani, J., 2002. “Bearing capacity and failure mechanism of reinforced foundations based on rigid-plastic finite element formulation”, Geotextiles and Geomembranes Vol. 20, No. 6, pp. 367–393

30. Yetimoglu, T., Wu, J. T. H. and Saglamer, A., 1994, “Bearing capacity of rectangular footings on geogrid-reinforced sand”, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 120, No.12, pp. 2083-2099.

31. Bauberatung Geokunstoffe GmbH, 2011. “Soil/geogrid interaction capacity – Secugrid vs. Combigrid”.

32. EXPERCO ISPIF SRL, 2010. “Geotechnical study regarding the aeolian park Sălbatica 2, Valea Nucarilor locality, Tulcea county”.

Documents

Butnarciuc Natalia