Geoteknikerdag 29. maj 2015 Strømninger i geoteknikken 1969-2015 ved Frands Haahr (22 57 29 44) Axeltorv 2 (2013) Kontrolberegning GeoSlope 2012 Geoteknikerdagen 2013 Strandvejen 59-2013 1
Strømninger i geoteknikken 1969-2015 Hvorfor har tiden eroderet vigtig viden bort og erstattet den med høje partialkoefficienter og konservative beregningsmetoder og tilnærmelser? I perioden 1906 1969 var Danmark i front vedr. design/optimering af støttekonstruktioner. I 1906 opfandt R. Christiani en empirisk beregningsmetode for optimering af kajkonstruktioner ( C&N-wharf ) spunsvægge af armeret beton, der gik sin sejrsgang i Danmark og Nordeuropa og senere over hele verden. 1923 1940 erne var det The Danish Rules aflastningsparablen, en modificering af C&N-wharf, der blev opdateret i 1937 og i 1952. 1940 1969 var det Earth Pressure Calculation af Jørgen Brinch Hansen (teknisk doktorafhandling udgives i 1953) som var den nye beregningsmetode for støttekonstruktioner. 2
Den geotekniske arv i 1969 J.B. Hansen (1961): The ultimate resistance of rigid piles against transversal forces (Bulletin No. 12) N.K. Ovesen (1964): Anchor slabs, calculation methods and model tests DS415:1965: Spidsbæreevnen af stålprofiler kan bestemmes ved den effektive bredde B = 0,8 H (empirisk formel) I 1965 udgiver Bent Hansen sin tekniske doktorafhandling: A Theory of Plasticity for Ideal Frictionless Materials N.H. Christensen (1967): Rigid pipes in symmetrical and unsymmetrical trenches (Bulletin No. 24) J.B. Hansen (1968): A revised and Extended Formula for Bearing Capacity (Bulletin No. 28) 3
Den geotekniske arv i 1969 H.M. Jacobsen (1970): Strength and deformation properties for preconsolidated moraine clay, DGI Bulletin 27. N. Bønding (1968): Fundamenter på ler med voksende forskydningstyrke N. Bønding (1969): Fundamenter på ler med variabel forskydningsstyrke (I.M. 1969-5) O. Steen (1969): Bæreevne af excentrisk belastede fundamenter (I.M. 1969-1) J. Poulsen (1969): Squeezing under skråt og excentrisk belastede stribefundamenter på ler (I.M. 1969-4) J.S. Steenfelt (1969): Bæreevne af stribefundamenter med tvungen lodret bevægelser (I.M. 1969-2) J.B. Hansen dør I 1969, men forskningen og udviklingen på GI fortsætter I de kommende år. 4
Den geotekniske arv vokser efter 1969 N. H. Christensen (1972): Ekofisk Olietank. Bæreevneberegning (udrænet bæeevne for sand er kritisk) udført for Norges Geotekniske Institut (GI-sag K72327) H.M. Jacobsen (1975): Nogle danske moræneleres styrke- og deformationsegenskaber (NGM75) N.K. Ovesen (1975): Optrækningsmodstanden af cirkulære ankerplader I sand (NGM75) N. Foged (1975): Kvikler på Sydgrønland (NGM75) (cv = cu MCUu=0, ϕ = 30-35 og c = 5 36 kpa) 5
Moust Jacobsen (1970) Empiriske formler for styrkeparametre φ a 35,3-9 e k c a 430 exp(-7,3 e k ) c u 10 exp(0,77 (e k ) -1,2 ) [kpa] (konservative skøn) Triaksial- eller pladebelastningsforsøg kan give højere styrkeegenskaber 6
Moust Jacobsen (1975) ϕ = 36 c = 0,1 cu 7
Den geotekniske arv vokser efter 1969 Moust Jakobsens evner til at opstille empiriske formler for moræneler blev rost af Bent Hansen og Knud Mortensen ved NGM75 med ønsket om at andre ville opstille tilsvarende formler for andre jordarter. Resultater af denne opfordring: 1) Børge Knudsen (1987) (T. H. Wu (1958), T. C. Kenney (1959)) Peakværdi (små tøjninger) for ler med 5% Ip 100 %: φ 45-10 log 10 (I p /1,0%) Residualværdi (store tøjninger): φ 45-15 log 10 (I p /1,0%) 8
Resultater fortsat 2) GEO (19xx): c = f(ip) for plastisk ler 3) GEO (1989) Storebælt - SHANSEP 4) GEO (1994) fra Øresund - Copenhagen Limestone 5) GEO (1995) Metro Kgs. Nytorv 6) O. v. Steensen-Bach, Grontmij (2013): Ip = f(w) for gytje og normaltkonsolideret ler (stor ros for dette arbejde) ϕ = g(ip) c = h(ip)? 9
Benspænd fra DGF s Normkomite A) Ved indførelse af DS415:1977 blev det forbudt at anvende c på aktivsiden ved dimensionering af støtte-konstruktioner (argumentationen mangler i DGF s vidensdatabase) B) I DS415:1984 indføres høj sikkerhedsklasse ( KFI = 1,1), men med hvilken begrundelse (hyppige designfejl)? C) I 2007-2009 indfører DGF s normkomite en forhøjelse af partialkoefficienten på den udrænede forskydningsstyrke for jordtryk og stabilitet, γcu til 1,8 fra den tidligere værdi på γcu = 1,5. Dog uden nogen form for konsekvensberegninger og med katastrofale resultater til følge, især ved dimensionering af baneskråninger og havnekonstruktioner (overdimensionering i særtilfælde fra 400 600% for en forøgelse på 20% af γcu hvilket er meget overraskende). Havde JBH gennemskuet dette i 1965 (DS415:1965)? 10
Benspænd fra DGF s Normkomite Ved NGM2012 (maj 2012) forsøger en gruppe ingeniører at bevise, at man ved brug af probabilistiske beregninger med cirkulære brudfigurer kan nedsætte partialkoefficienten, γcu = 1,8 (som hævet i 2009 af DGF s Normkomite) til den tidligere værdi på γcu = 1,5. Problemet er blot, at man overvurderer stabilitetsforholdet med en faktor 1,2 á 1,8 ved ikke at anvende de kritiske ikke-cirkulære brudfigurer for dæmninger på blød bund og stærkt varierende jordbundforhold. Derfor nedsætter DGF s normkomite et cu-udvalg i efteråret 2012 for at vurdere mulighederne for en nedsættelse af γcu for jordtryk og stabilitet. Begrundelsen for dette udvalg er, at flere medlemmer af DGF (inklusiv formanden for DGF s normkomite, der var ansvarlig for forhøjelsen af γcu i 2009) nu har opdaget, at sikkerhedsniveauet er alt for højt, jf. Indlæg i Ingeniøren 2012-09-21. Fejl af denne karakter skal rettes af de personer, som har skabt dem. 11
Benspænd fra DGF s Normkomite Ved høringskommentarerne til DS/EN 1997-1 DK NA:2012, der blev afleveret i november 2012, fremkom der stærk kritik af den høje partialkoefficient, γcu = 1,8 (for jordtryk og stabilitet) fra adskillige medlemmer af DGF. Normkomiteen afviste al kritik, på trods af, at man ved indlæg i Ingeniøren 2012-09-21 indrømmer, den alt for høje partialkoefficient. 12
Nedbrydningen af den geotekniske arv Ved NGM2012 og Geoteknikerdagen 2013 præsenteres artiklen: Strength Models for Clay Till based on Triaxial Testing, K. M. Iversen, VIA University College and C. S. Sørensen, COWI. med en formel for fastsættelse af c som virker noget overvurderet, c = k cu, hvor k bestemmes som : I samme artikel konkluderes Hvad skal jeg som bruger anvende? 13
Nedbrydningen af den geotekniske arv 14
Nedbrydningen af den geotekniske arv Partialkoefficienternes himmelflugt for design af banedæmninger (1998 2012) COWI har vist ved dæmningsanalyser for Nordvestbanen, at merudgifterne ved brug af γcu = 1,8 bliver af størrelsesorden (50 ) 100 mill kr., jf. artikel i Ingeniøren 2012-09-21. Men ved hjælp af probabilistiske beregninger, og brug af efterfølgende stabilitetsanalyser med SLOPE (dog kun cirkulære brudfigurer) og avancerede laboratorieforsøg, da kan man spare disse merudgifter. Hvis dette er tilfældet, burde man trække den forhøjede partialkoefficient tilbage, i stedet for at påføre bygherren unødvendige udgifter til nytteløse probabilistiske beregninger. 15
Nedbrydningen af den geotekniske arv Udviklingen over tid men hvorfor er det muligt at anvende γcu = 1,25 ved dimensionering af offshore vindmøllefundamenter? 16
Den nye jordtryksteori (2011)? Ved møde i DGF 2011-03-03 blev DGF s medlemmer introduceret til en ny jordtryksteori af J. Phillipsen, Rambøll, i forbindelse med design af de midlertidige sekantpælevægge for Nordhavnsvejens tunnel. Resultatet heraf blev præsenteret ved DGF-møde 2014-11-20, hvor deformationsmålinger viste 10 á 15 gange mindre værdier end de beregnede, altså en kraftig overdimensionering. Det dobbelte antal jordankre og større armeringsmængder end nødvendigt, hvis EPC-teorien var anvendt. Skyldes denne fejldimensionering manglende kendskab til JBH s EPC-teori? Denne har været uovertruffen i mere end 70 år i DK og World Wide, se foredrag af J.S. Steenfelt (1988) til konference i Brisbane, Australien eller Steenfelt, J.S. og Haahr, F. (1993): "Impact of safety factors in design of retaining structures". International Symposium on Limit State Design (ISLSD 93), København, Maj 1993, Vol.1, Session 4. 17
Optimerede brudfigurer På Geoteknikerdagen 2013 blev der fremsat anbefalinger om kun af benytte cirkulære brudfigurer ved stabilitetsundersøgelser af skråninger (M. Lodahl, K. Brødbæk, COWI og R. Christensen, Rambøll: Optimerede brudfigurer i stabilitetsberegninger ). Dette blev afvist af Frands Haahr, ved eksempel fra Polen (1989), hvor et fuldskalaforsøg netop afviste udvikling af cirkulære brudfigurer. GeoSlope kom ikke med éntydige svar herpå (COWI og Grontmij): Dog en vigtig konklusion, at dersom geometrien, belastningen og jordens styrkeparametre er givet, så må man leve med de ikke-cirkulære brudfigurer, der er resultatet af en optimeret analyse, hvilket senere er dokumenteret ved adskillige PLAXIS-beregninger. 18
Optimerede brudfigurer Brud i skråning ved Lagmannsholmen, Kristiansand Havn 2008. En antaget forkert cirkulær brudfigur vil resultere i 57% større sikkerhed end en optimeret (korrekt) brudfigur. Se også erfaringer fra Storebælt dæmningen ved Svanedammen i 1989, hvor de udviklede brudfigurer langt fra var cirkulære, men havde en nærmest retlinjet form (DGF-bulletin 18, Kapitlet om Gytje) Opponenterne Torben Thorsen, GEO og Jens-Erik Jepsen, Rambøll kritiserer forfatterne (K.T. Brødbæk, M.R. Lodahl og C.S. Sørensen, COWI og R. Christensen, Rambøll) til Funderingshåndbogens kapitel 11: Totalstabilitet (DGF-møde 2013-11-2) for at fraråde brugen af optimerede brudfigurer. Anbefalingen med generelt at fraråde brugen af optimerede brudfigurer må og skal ud af artiklen Morten Larsen, Niras (DGF-møde 2015-03-19) viste også, at de optimerede brudfigurer er realistiske (kontrolleret med FEM-beregninger PLAXIS). 19
Optimerede brudfigurer Hvorfor skal vi øvrige medlemmer bruge vor dyrekøbte fritid til at tilbagevise de varmluftspostulater der fremsættes af fremtrædende medlemmer af DGF? Hvis man satte sig ind i det geotekniske emne, man ønsker at belemre andre medlemmer i DGF med, bør man som minimum inddrage sin geotekniske historie eller være bekendt med den geotekniske arv (dvs. andre forskeres erfaringer og resultater) Forskere skriver for meget og læser for lidt, se Claus Holm s kommentar i Berlingske, 2012-10-08. 20
Fundamentsforstærkning af den gamle Lillebæltsbro Ved DGF-møde 2014-06-12 blev en undrende forsamling af geoteknikere præsenteret for analyser af sikkerheden for de 79 år gamle fundamenter for de 4 bropiller for den gamle Lillebæltsbro. En ekspertgruppe havde anbefalet Banedanmark at forstærke de 4 fundamenter, da ekspertgruppen havde fundet dette nødvendigt som baggrund af de udførte laboratorieforsøg og geotekniske analyser. Det kan undre, at Professor Anker Engelund i 1925, da dimensioneringen begyndte, ikke havde kendskab til forskydningstøjninger, som påstået af en af foredragsholderne, når nu bropillerne i store træk har opnået de konsolideringssamt sekundære deformationer (tøjninger) som beregnet i 1925. Hvor har ekspertgruppen fejlet? Var der behov for den 125 mill. kr dyre forstærkning? 21
Fundamentsforstærkning af den gamle Lillebæltsbro Broens fundamenter er langt fra i en brudtilstand, idet de registrerede deformationer skyldes primære- henholdsvis sekundære konsolideringstøjninger der medfører styrketilvækst (ellers skal vore lærebøger skrives om) og ikke styrkereduktion som påstået af ekspertgruppen. Antagelsen om ϕ = 15 og c = 4,5 kpa (residualværdier er forkert), idet dette svarer til en fri skråning udsat for forskydningstøjninger over lang tid. Tilbageregning er således en umulighed. De virkelige styrkeparametre er nærmere: ϕ = 18,5-20 og c = 20-35 kpa (pladebelastningsforsøg og laboratorieforsøg, se DGF-Bulletin 16_Palæogent ler), dvs. at sikkerheden er langt over 2,0, for γc = γϕ = 1,2, hvorfor forstærkningen er spild af skattetborgernes penge. 125 mill. kr er hældt i Lillebælt, som følge af helt uacceptabelt manglende indsigt i basale geotekniske tolkninger og efterfølgende beregninger. 22
Krav om innovationer JP 2012-06-29 23
Krav om innovationer DONG Energy Møde i DGF 2014-04-01 Goldman Sachs ønsker en større forrentning af sin investering i DONG Energy, hvorfor geoteknikerne skal finde besparelser i design af fundamenter til Offshore Wind Turbines (monopæle og GBS-fundamenter) Tove Feld i sin åbningstale. Lone Krogh bedre bestemmelse af den relative lejringstæthed og dermed en mere korrekt friktionsvinkel (højere værdi). Banedanmark (Vamdrup-Vojens): Dæmningsprofilerne er efter 2009 blevet alt for store (a = 2 3) sammenholdt med designet udført før 2004 (a = 1,5). (årsagen hertil skyldes et urimelig højt sikkerhedsniveau, dvs. indførelse af α = 1,33, KFI = 1,1 og γcu = 1,8) 24
Innovationer 1990 til dato Bæreevnebestemmelse af fundamenter på lagdelt jord ved brug af FEM (ABAQUS) H. Denver og F. Haahr, ISLSD (1993). Statistik er ikke anvendelig ved fastlæggelse af en vægtet middelværdi af cu. Beregning af deformationer i forbindelse med en prøvebelastning af en jackup rig EXPLORER på KRAKA-feltet i 1998 var et overraskende godt resultat af ca. 6 års modelleringsarbejde på Geoteknisk Institut (1992-1998) med gennemlokningsanalyser af store fundamenter (borerigge). Dette er siden fulgt op af GEO, se fx L. Kellezi & G. Kudsk (2011). Brug af den effektive kohæsion for morænesand, c 0,05 cu (Christianhavns Boliger, 1999 Carl Bro og Skanska) for optimering af fundamentsdesign. Introduceret ved ren Engineering judgement, men senere dokumenteret ved en ihærdig indsamling af triaksialforsøgsresultater i årerne 1995 2015, jf. DGF-Bulletin 18. 25
Innovationer 1990 til dato Genindførelse af den effektive kohæsion, c på aktivsiden ved dimensionering af støttekonstruktioner (18 34 års karantæne): Kastrup P-hus (1995-1998), Solbjerg Station, Mini Metro (1999-2001), Nordhavnsvejens tunnel (2011-2017), Axeltorv 2 (2012-2015), Kanalvej Lyngby, Etape I - Microsoft (2013) Nordhavnsvejen sekantpælevægge Resultat af den nye jordtryksteori - 5-6 ankerlag - betonstræk (1x1,2 m) og ankre i hver anden pæl - de beregnede deformationer er 10 15 x de målte Entreprenørens (Züblin) optimering med EPC - 3 ankerlag - betonstræk fjernet og ankre i de uarmerede pæle - de beregnede deformationer er af samme størrelsesorden som de målte Udførelse af korrekt design med dertil hørende deformationsberegninger for støttekonstruktioner og nabobygninger, som er i overensstemmelse med de målte værdier: Karlsruhe (1993), Torvebyen (2010), Nordhavnsvejen (2011-2014), Microsoft (2013). 26
Innovationer 1990 til dato Opstilling af optimerede effektive styrkeparametre for kalk ved hjælp af de primitive metoder som SPT-forsøg og M. Tomlinson (2005): Buxton (2001), Libyen (2005), Baltic 2 (2010) (LCPT-metoden skrivekridt). Regningsmæssige bæreevner for fundamenter i kalk (AUCC, Libyen 2005) q 1 d(kpa) 1,00 X Bygherrens rådgiver (Professor NN, Cairo University): SPT-forsøg -ULS q 2 d(kpa) 2,14 X Totalentreprenørens rådgiver Carl Bro (FRH): SPT-forsøg -ULS q 3 d(kpa) 2,33 X Totalentreprenørens rådgiver Carl Bro (OSB): 23 pladebelastningsforsøg i 2,4 henholdsvis 4,0 meters dybde - ULS q 4 d(kpa) 3,00 X Totalentreprenørens rådgiver Carl Bro (OSB): 23 pladebelastningsforsøg i 2,4 henholdsvis 4,0 meters dybde (Jordskælvsdesign) SPT-forsøg kan med fordel erstattes af pladebelastningsforsøg, hvis en superoptimering af bæreevnen ønskes (her 8,8% forøgelse i relation til SPTforsøg). Ingen anvendelse af statistik ved tolkning af SPT-forsøg 27
Innovationer 1990 til dato Opstilling af effektive styrkeparametre for kalksten (bjergartsmekanik), som har revolutioneret de meget konservative parametre fra 1995 (Kgs. Nytorv Metro Phase 1): Kvæsthusmolen (2013), Axeltorv 2 (2013), Nordhavnsvejen TKA (2014), TP40 (2015) Axeltorv 2 (2013) optimering af bæreevnen af søjlefundamenter ingen udgravning under bundplade (t = 0,9 m)? Hoek-Brown brudkriterie: Core drilling, RMR89-classifikation, intact rock mass parameter (mi), unconfined compressive strength (quc), geological strength index (GSI), disturbance factor (D) and horizontal effective stress (σ 3) in failure zone 28
Innovationer 1990 til dato Axeltorv 2 (2013) optimering af bæreevnen af søjlefundamenter ingen udgravning under bundplade (t = 0,9 m)? σ Ed = 2956 kpa for fundament G.06 GEO s Rapport 1 (2011-02-09): København kalk H2-H4 ϕ = 40-45 og c = 50-100 kpa q Rd-1 = c d Nc Sc 1000 á 1660 kpa q -bidrag er nødvendigt Tolkning af styrkeparametre ved brug af bjergartsmekanik (E. Hoeck og E.T. Brown, 1988): ϕ = 39 og c = 286 kpa q Rd-2 = c d Nc Sc 4760 kpa q -bidrag er ikke nødvendigt, dvs bundpladen klarer trykspredningen (1:1). Bæreevneforøgelse: q Rd-2/q Rd-1 2,87 (mere end dobbelt op) 29
Er livet for kort til Geoteknik og Fundering? Konklusion A Ja, når man skal bruge sin fritid på at lede dilettanterne (se Claus Holms definition) ind på troværdighedens smalle sti, som de ikke ønsker at betræde. På troværdighedens smalle sti, er der kun plads til de, der værner om den geotekniske arv fra vore berømte geoteknikere, og som ikke vil finde sig i at blive frarøvet denne arv. For mange artikler med for magert indhold. 30
Er livet for kort til Geoteknik og Fundering? Konklusion B Nej (måske ikke), men det kræver, at flertallet af de slumrende geoteknikere vågner op til dåd og deltager aktivt i kampen om at genskabe et troværdigt geoteknisk miljø i DK/DGF. Tak til de få, som nu har skiftet side og som bakker op om kravene til realistiske partialkoefficienter og anvendelse af korrekte beregningsmetoder. Lad os håbe, at geoteknikken en dag i den nærmeste fremtid igen kan blive et fag, hvor alle bestræber sig på at optimere vore geotekniske konstruktioner som før 1969 - til glæde for erhvervslivet, kommunerne, Banedanmark og Vejdirektoratet. 31
Tak for opmærksomheden Når der skal optimeres, thi her kan du som bygherre/entreprenør få det hele til det halve (det kræver dog som minimum en kompetent 3.partskontrollant/validator, og at bygherrens rådgiver holder sig langt væk) 32