Simuleringarna som genomförts i detta examensarbete visar att accelerationer i spontplankor plötsligt och tydligt förändras efter en kollision med ett stenblock. Detta indikerar att skador på spontplankor skulle kunna undvikas genom att kontinuerligt mäta accelerationer i spontplankor under vibrationsdrivning, och avbryta drivningen om plötsliga skillnader i accelerationer uppstår.
Bakgrund
Vid markarbeten används ofta stålspont för att skapa en stabil och tät stödkonstruktion som motverkar jordras och vattenläckage. Vibrationsdrivning är en vanlig metod för att installera stålspont, där stålsponten drivs ned i jorden genom en vertikal vibrationsrörelse. Metoden är särskilt effektiv vid drivning i lösa jordar. I delar av Sverige är dock jordarten morän vanligt förekommande. Morän är generellt väldigt kompakt och det är vanligt att stenar och block förekommer. Det finns därför en risk att spontplankor kolliderar med stenar och block då de installeras, vilket kan resultera i skador på spontplankorna. Dessa skador kräver ofta kostnads- och tidskrävande åtgärder. Det finns därför ett behov av ett stopp-kriterium som kan upptäcka att spontplankan har kolliderat med ett stenblock, och som avbryter vibrationsdrivningen innan skador på spontplankan uppstår.
Syfte med examensarbetet
Syftet med examensarbetet var att undersöka ifall numeriska modeller kan användas för att simulera vibrationsdrivning av stålspont, både med och utan kollision med stenblock, och att undersöka möjligheten att utveckla ett stoppkriterium utifrån dessa numeriska modeller.
Examensarbetet genomfördes på avdelningen för byggnadsmekanik på Lunds Tekniska Högskola, i samarbete med Trafikverket. Professor Per-Erik Austrell, Professor Kent Persson, Dr. Kenneth Viking och Dr. Erika Tudisco var handledare och Dr. Peter Persson var examinator för examensarbetet.
Modeller
För att simulera vibrationsdrivningen utvecklades tre modeller: en FE-modell, en enaxiell MDOF-modell och en SDOF-modell. FE-modellen, som delvis visas i Figur 3, skapades i FE-programmet Abaqus. I FE-modellen modellerades spontplankan som en skalmodell och stenblocket som en solid sfär. Jordmotståndet återskapades med hjälp av connector-element, som fungerar som elastoplastiska fjädrar. MDOF-modellen, som visas i Figur 4, skapades i det numeriska beräkningsprogrammet MATLAB. I MDOF-modellen modellerades spontplankan med ett antal elastiska fjädrar och punktmassor medan jordmotståndet modellerades med elastoplastiska fjädrar. SDOF-modellen skapades också i MATLAB, men här modellerades spontplankan som en enda punktmassa, vilket innebär att dess longitudinella beteende försummades. Jordmotståndet modellerades på samma sätt som i MDOF-modellen med elastoplastiska fjädrar. I alla tre modeller modellerades vibratorenheten med tre komponenter: en statisk kraft, en dynamisk massa och en harmonisk drivkraft. Den statiska kraften representerar den icke-vibrerande delen av vibratorn medan den dynamiska massan representerar den vibrerande delen av vibratorn. Den harmoniska drivkraften, som varierar sinusformat med tiden, representerar de roterande massorna i vibratorn.
Explicit tidsstegning användes, i alla tre modeller, för att genomföra simuleringar av vibrationsdrivning, både med och utan kollision med stenblock. I FE-modellen genomfördes också kvasistatiska bucklingssimuleringar som resulterade i kurvor som beskriver kontaktkraften mellan spontfoten och ett stenblock som en funktion av spontfotens deformation. Kurvorna användes sedan i MDOF-modellen och SDOF-modellen för att representera en kollision med ett stenblock.
Kalibrering av modeller
Kenneth Viking, som var en av handledarna för examensarbetet, hade tidigare genomfört ett fältförsök där en spontplanka installerades genom vibrationsdrivning. Under tiden som spontplankan installerades genomfördes mätningar av bland annat acceleration och förskjutning i ett antal punkter på spontplankan. Under fältförsöket genomfördes dessutom CPT-sonderingar, vilket innebar att det fanns god information om jordens geotekniska egenskaper. Mätningarna från fältförsöket användes för att kalibrera de tre modellerna så att de producerade resultat som stämmer överens med beteendet som hade observerats under fältförsöket.
Resultat
En stor mängd simuleringar av vibrationsdrivning med och utan kollision med stenblock genomfördes. Figur 5 visar accelerationen innan och efter kollision från en simulering med FE-modellen. En tydlig ökning i accelerationsamplitud kan identifieras efter att kollisionen skett, och högfrekventa övertoner börjar sprida sig längs spontplankan. Ökningen i accelerationsamplitud och innehållet av övertoner efter kollisionen blir ännu tydligare när man genomför en Fast Fourier transform (FFT) av accelerationen, vilket illustreras i Figur 6 och 7. Accelerationen i sponthuvudet för samma simulering fast med MDOF-modellen visas i Figur 8. Accelerationerna i de båda modellerna uppvisar tydliga likheter, både vad gäller ökning av accelerationsamplitud och innehåll av övertoner.
Analys av resultat och slutsatser
Resultaten från simuleringarna av vibrationsdrivning utan kollision med stenblock visar på tydliga likheter mellan de tre modellerna, där alla tre modeller exempelvis producerade i stort sett samma neddrivningshastigheter. Störst likheter observerades mellan FE-modellen och MDOF-modellen, där resultaten nästintill var identiska. Detta indikerar att det kan vara mer effektivt att simulera vibrationsdrivning med simpla modeller, såsom MDOF-modellen i detta examensarbete, eftersom denna modell är betydligt snabbare än FE-modellen.
Resultaten från simuleringarna av vibrationsdrivning med kollision med stenblock visar också på tydliga likheter mellan de tre modellerna, där en tydlig ökning av accelerationsamplitud efter kollision kan observeras. Återigen pekar detta på att det är effektivare att använda simplare modeller, men det bör nämnas att det är betydligt mer omständligt att implementera kollisionerna i de simplare modellerna, och att de simplare modellerna inte heller ger någon visualisering av hur sponten deformerar vid kollisionen.
Gällande utveckling av ett stoppkriterium visar resultaten från simuleringarna av vibrationsdrivning med kollision med stenblock att ett framtida stoppkriterium möjligtvis skulle kunna baseras på plötsliga förändringar i accelerationsamplitud. Resultaten pekar på att det skulle vara fördelaktigt att kontinuerligt genomföra FFT på accelerationerna i sponthuvudet under vibrationsdrivningen och att avbryta drivningen om en stor ökning i accelerationsamplitud från drivningsfrekvensen observeras.
Slutsats
Beroende på ändamålet uppfyller alla modellerna sina syften. Från snabba och enklare drivbarhetsanalyser med SDOF-modellen och MDOF-modellen, till avancerade bucklingsanalyser med FE-modellen. Resultaten som presenteras i examensarbetet tyder på att det med hjälp av numeriska modeller är möjligt att simulera vibrationsdrivning av stålspont med relativt hög noggrannhet. Ett stoppkriterium baserat på de tre modellernas resultat, där kollisioner kan identifieras utifrån en ökning i accelerationsamplitud eller övertoner, hade därav kunnat förhindra potentiella skador på spontplankor. Med fortsatta studier inom området är ett färdigt stoppkriterium för vibrationsdrivning av stålspont inte långt borta.
Länk till examensarbetet
https://lup.lub.lu.se/student-papers/search/publication/9062903
Författare:
Anton Andersson, SWECO
Johannes Jonsson, WSP
Bästa examensarbete inom stålbyggnad
På Stålbyggnadsdagen delades stipendiet för bästa examensarbetet i Stålbyggnad 2021 till Anton Andersson och Johannes Jonsson från Lunds Tekniska Högskola. Handledare har varit; Per-Erik Austrell, Kent Persson och Erika Tudisco från LTH och Kenneth Viking, Trafikverket. Examinator Peter Persson, LTH.
Prismotivering
Examensarbetet behandlar vibrationsdriven stålspontning. Frågeställningen är om man utifrån numerisk simulering av det dynamiska förloppet vid neddrivning av sponten kan utveckla stoppkriterier i syfte att undvika skador på sponten vid kollision med större stenar och block. För ändamålet har tre olika numeriska modeller tillämpats. En av modellerna är en konventionell finit elementmodell i det kommersiella FE-paketet Abaqus. En sådan modell är noggrann men mjukvaran är dyr och kräver en hel del av användaren. Som alternativ har författarna därför utvecklat enklare modeller, en modell med endast en frihetsgrad och en annan med flera frihetsgrader i enaxlig riktning. Det är fråga om transienta dynamiska beräkningar, och script för tidsintegration i de förenklade modellerna har författarna utvecklat i Matlab. Examensarbetet är välskrivet och väl disponerat. Tydligheten är exemplarisk. Den här slags beräkningar är på en förhållandevis hög nivå, i synnerhet med beaktande av de två egenutvecklade beräkningsmodellerna.
